DE102021104567A1 - Umrichter sowie Verfahren zum Betrieb eines Umrichters - Google Patents

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Johannes Rossmann
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Abstract

Es wird ein Umrichter (2) angegeben, der zum Anschluss an einen n-Phasen-Elektromotor (4) ausgebildet ist, wobei in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters des Elektromotors (4) oder zur Einstellung eines Betriebsmodus des Elektromotors (4) die jeweils mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W') des Strangs (8) parallel oder in Serie zueinander geschaltet sind. Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Umrichters (2) angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Umrichter sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Umrichters.
  • Umrichter zum Anschluss an und zur Versorgung von Elektromotoren sind hinlänglich bekannt. Bei permanentmagneterregten Elektromotoren ist eine induzierte Spannung proportional zur Drehzahl. Dies hat zur Folge, dass die induzierte Spannung bei niedrigen Drehzahlen sehr gering ist, was zu einem niedrigen Wirkungsgrad bei derartigen niedrigen Drehzahlen führt.
  • Ferner versursacht ein niedriger Tastgrad (auch als Duty Cycle bezeichnet) einen hohen und unerwünschten Oberwellengehalt im Stromverlauf. Dieser hohe Oberwellengehalt ist ursächlich für unerwünschte Verluste innerhalb des Elektromotors sowie einen allgemein schlechten Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen. Diese Nachteile können behoben werden, indem der magnetische Fluss erhöht wird. Hierdurch wird der Grundstellbereich des Elektromotors reduziert und der Feldschwächbereich erhöht. Unter dem Grundstellbereich kann hierbei allgemein und vereinfacht ausgedrückt der Betriebsbereich bezeichnet werden, in dem der Elektromotor mit maximaler Spannung und Nennfrequenz betrieben wird. Unter dem Feldschwächbereich kann hierbei ein Betriebsbereich des Elektromotors verstanden werden, bei dem der magnetische Fluss und damit das magnetische Feld abgeschwächt wird, um eine Steigerung der Drehzahl, jedoch zu Lasten des Drehmoments, zu erreichen.
  • Die zuvor erwähnte Reduzierung des Grundstellbereichs wirkt sich negativ auf den Wirkungsgrad bei höheren Drehzahlen aus. In diesem Zusammenhang führt ein niedriger magnetischer Fluss zu einem besseren Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen. Den Nachteilen der jeweiligen Betriebsbereiche kann beispielsweise mit einem mehrgängigen Getriebe begegnet werden, was jedoch Nachteile im Hinblick auf entstehende Kosten, Gewicht sowie mechanische Verluste mit sich bringt.
  • Ferner ist es möglich, die Verschaltung, insbesondere die Verschaltung der Ankerwicklungen innerhalb des Elektromotors während des Betriebs (z.B. in Abhängigkeit der Drehzahl) zu ändern, um die zuvor beschriebenen Motorverluste zu reduzieren.
  • Ein zweiter Aspekt betrifft eine Spannungsvariabilität der Versorgungsspannung des Umrichters bzw. des Elektromotors. Insbesondere bei einer Spannungsversorgung durch eine Batterie ändert sich die Versorgungsspannung durch ein Entladen der Batterie während des Betriebs des Elektromotors. Diese veränderliche Batteriespannung wirkt sich auf die Ansteuerung des Umrichters sowie auf den Oberwellengehalt und damit auf den Wirkungsgrad des Elektromotors aus.
  • Ferner ist eine Redundanz bei Elektromotoren insbesondere bei vielen Einsatzgebieten heutzutage zwingend erforderlich bzw. relevant. In diesem Zusammenhang muss sichergestellt sein, dass bei einem Ausfall einer oder mehrerer Komponenten, der Elektromotor mit zumindest verminderter Leistung weiterläuft. Es sind Ausgestaltungen bekannt, die eine Redundanz ermöglichen, beispielsweise durch doppelte Ausführungen und/oder eine Zwischenkreisanzapfung über Schalter oder Dioden. Derartige Redundanzen sind jedoch teilweise aufwändig und komplex in der Realisierung.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Umrichters anzugeben, mit deren Hilfe die vorstehend beschriebenen Nachteile zumindest reduziert werden.
  • Mit Blick auf den Umrichter wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Umrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit Blick auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Insbesondere wird die auf den Umrichter gerichtete Aufgabe gelöst durch einen Umrichter, der zum Anschluss an einen n-Phasen-Elektromotor ausgebildet ist, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 6 ist. In anderen Worten wird die Aufgabe gelöst durch einen Umrichter zum Anschluss an einen Elektromotor mit einer Phasenanzahl n, wobei die Phasenanzahl n größer oder gleich 6 ist.
  • Ferner kann jede Phase des Elektromotors zumindest eine Spule aufweisen. Jeweils mindestens zwei Phasen sind vorzugsweise zu einem Strang zusammengefasst. Weist der Elektromotor beispielsweise sechs Phasen auf, können somit jeweils zwei Phasen zu insgesamt drei Strängen zusammengefasst sein. Zudem ist jeweils eine der mindestens zwei Phasen des Strangs zu der anderen Phase des Strangs um 180 Grad elektrisch gedreht. Unter um 180 Grad elektrisch gedreht kann vorliegend verstanden werden, dass die beiden betroffenen Phasen invertiert zueinander geschaltet sind, d.h. fließt ein elektrischer Strom in einer Richtung durch die eine Phase, so fließt er entgegen dieser Richtung durch die invertierte Phase.
  • Eine erste Hälfte der Phasen kann über mindestens einen ersten Sternpunkt oder über eine erste Polygonschaltung verschaltet sein. Ebenso ist eine zweite Hälfte der Phasen über mindestens einen zweiten Sternpunkt oder über eine zweite Polygonschaltung verschaltet. Bei der Polygonschaltung kann es sich beispielsweise um eine Dreieckschaltung handeln. In Bezug auf vorstehendes Beispiel mit dem 6-Phasen-Elektromotor sind jeweils drei der sechs Phasen über einen Sternpunkt oder eine Polygonschaltung miteinander verschaltet, sodass in Gänze zwei Sternpunkte vorhanden sind.
  • Der Umrichter weist ferner n Schalteinheiten auf, wobei jeweils eine Schalteinheit einer Phase zugeordnet sein kann und jeweils die Schalteinheiten der mindestens zwei Phasen eines Strangs ein Schaltmodul ausbilden können. D.h. mit Bezug auf das vorstehende Beispiel des 6-Phasen-Elektromotors weist der Umrichter sechs Schalteinheiten und drei Schaltmodule auf. Allgemein entspricht die Zahl bzw.
  • Anzahl der vorhandenen Schalteinheiten der Zahl der Phasen des Elektromotors bzw. Phasenanzahl.
  • Hierbei kann jede Phase eines Strangs mit jeweils einer der beiden Schalteinheiten des zugeordneten Schaltmoduls direkt verbunden sein. Unter direkt verbunden kann vorliegend verstanden werden, dass zwischen der Schalteinheit bzw. dem Schaltmodul und dem Elektromotor kein Schaltelement angeordnet ist.
  • Jede Schalteinheit ist ferner mit einer Spannungsversorgungseinheit verbunden, wobei jede Schalteinheit zwei Versorgungsschaltelemente aufweist zum Beaufschlagen der verbundenen Phase mit einer Versorgungsspannung. Bei der Spannungsversorgungseinheit kann es sich vorliegend um eine Batterie oder eine andere Spannungsquelle handeln. Bei der Versorgungsspannung kann es sich im Rahmen der vorliegenden Anmeldung um eine Ausgangsspannung des Umrichters handeln, also um die Spannung, mit der der Elektromotor beaufschlagt wird. Diese Spannung kann beispielsweise eine modulierte Spannung, insbesondere eine Wechselspannung sein.
  • Die Schalteinheiten eines Schaltmoduls sind über eine elektrische Verbindungsleitung miteinander verbunden, wobei in den Schalteinheiten eines Schaltmoduls jeweils ein Verbindungsschaltelement in der elektrischen Verbindungsleitung angeordnet ist. In jeder elektrischen Verbindungsleitung sind somit zwei Verbindungsschaltelemente angeordnet.
  • Bei den Versorgungsschaltelementen und den Verbindungsschaltelementen kann es sich beispielsweise um Transistoren, z.B. MOSFET oder IGBT handeln. Allgemein können jegliche elektronische (Halbleiter-)Schaltelemente als Versorgungsschaltelement und/oder Verbindungsschaltelement herangezogen werden.
  • In Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters des Elektromotors und/oder zur Einstellung eines Betriebsmodus des Elektromotors kann ein Wechsel der Verschaltung der jeweils mindestens zwei Phasen erfolgen. Dieser Wechsel kann ein Wechsel aus einer Parallelschaltung der mindestens zwei Phasen in eine serielle Schaltung oder ein Wechsel aus einer seriellen Schaltung in eine Parallelschaltung sein. Somit fließt vereinfacht ausgedrückt der elektrische Strom bei Parallelschaltung der Phasen parallel durch die Spulen der jeweils zwei Phasen des Strangs. Bei der Serienschaltung der jeweils zwei Phasen fließt der elektrische Strom vereinfacht ausgedrückt somit erst durch eine der beiden Spulen und dann durch die andere Spule der jeweils zwei Phasen des Strangs.
  • Durch die vorstehend beschriebene Konfiguration des Umrichters ist es ermöglicht mit lediglich 18 Schaltelementen (zusammengerechnet lediglich sechs Verbindungsschaltelemente und lediglich zwölf Versorgungsschaltelemente) einen Umrichter zu realisieren, der ein Umschalten einer Serienschaltung zu einer Parallelschaltung der Phasen und umgekehrt während des Betriebs des Elektromotors ermöglicht. In Parallelschaltung sind hierbei die zwölf Versorgungsschaltelemente aktiv während in Serienschaltung die sechs Verbindungsschaltelemente und sechs der zwölf Versorgungsschaltelemente aktiv sind. Unter aktiv kann hierbei verstanden werden, dass diese Schaltelemente getaktet angesteuert werden, während sich die anderen Schaltelemente beispielsweise im Freilauf befinden. Aus dem Stand der Technik bekannte und ähnliche Topologien weisen hingegen üblicherweise zwischen 30 und über 40 Schaltelemente auf.
  • Durch die Möglichkeit des Umschaltens während des Betriebs des Elektromotors mit Hilfe des erfindungsgemäßen Umrichters können die eingangs erwähnten Nachteile überwunden werden. Hierdurch kann zum einen eine ausreichende Redundanz eingangs genannter Art geschaffen werden und zum anderen auftretende Motorverluste zumindest reduziert werden. Die speziellen Vorteile werden nachfolgend anhand konkreter Beispiele und Ausführungsformen näher erläutert.
  • In einer Ausführungsform ist der zumindest eine Betriebsparameter eine Betriebsart, insbesondere ein Betrieb im Feldschwächbereich oder im Grundstellbereich. Alternativ oder ergänzend ist der eine Betriebsparameter ein aktuelles Spannungsniveau der Versorgungsspannung und/oder ein Ausfall eines oder mehrerer Betriebselemente. Alternativ oder ergänzend kann es sich bei dem zumindest einen Betriebsparameter auch um eine Drehzahl des Elektromotors handeln. Hierbei kann dann beispielsweise ein Umschalten bei einer vorbestimmten Drehzahl erfolgen, um ein an dem Elektromotor angeordnetes Getriebe zu ersetzen. Hierbei kann dann durch das Umschalten eine Wirkungsgraderhöhung erzielt werden.
  • In Bezug auf den Betrieb im Feldschwächbereich oder im Grundstellbereich kann durch die Umschaltung der Verschaltung eine Optimierung des Elektromotors erreicht werden und somit Verluste zumindest minimiert werden. Befindet sich der Elektromotor beispielsweise im Feldschwächbereich und sind die Phasen seriell zueinander geschaltet, kann der Umrichter auf die Parallelschaltung umschalten. Dies verringert die ohmschen Verluste, insbesondere Blindstromverluste innerhalb des Elektromotors. Umgekehrt bzw. analog dazu, kann bei einem Betrieb im Grundstellbereich von einer parallelen Schaltung der Phasen auf eine Serienschaltung der Phasen umgeschaltet werden, was ebenfalls Motorverluste, insbesondere durch Oberwellen verursachte Verluste reduziert.
  • Mit Bezug auf das aktuelle Spannungsniveau der Versorgungsspannung kann ein Umschalten von Serienschaltung zu Parallelschaltung oder umgekehrt erfolgen, wenn das aktuelle Spannungsniveau z.B. unter einen vorbestimmten Wert sinkt. Die Verschaltung erfolgt somit in Abhängigkeit des aktuellen Spannungsniveaus. Hierdurch können die bereits eingangs erwähnten Nachteile bei schwankender Versorgungsspannung, insbesondere bei einer Versorgung mittels einer oder mehrerer Batterien, zumindest reduziert werden.
  • Alternativ oder ergänzend erfolgt die Umschaltung von Serienschaltung zu Parallelschaltung oder umgekehrt in Abhängigkeit eines Ausfalls eines oder mehrerer Betriebselemente. Unter den Betriebselementen können vorliegend und nicht abschließend die Schaltelemente (Versorgungsschaltelemente und Verbindungsschaltelemente) und/oder die Spulen der einzelnen Phasen verstanden werden. Durch diese Ausgestaltung ist es auf einfache Weise ermöglicht, bei Ausfall einer oder mehrerer Betriebselemente durch eine Umschaltung von Serienschaltung zu Parallelschaltung den Elektromotor dennoch weiter zu betreiben.
  • In einer Ausführungsform weist der Umrichter eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Schaltelemente auf, wobei die Steuereinheit derart eingerichtet ist, in Abhängigkeit des zumindest einen Betriebsparameters des Elektromotors oder zur Einstellung des Betriebsmodus des Elektromotors die jeweils zwei Phasen eines Stranges parallel oder in Serie zueinander zu schalten. Hierbei kann die Steuereinheit ebenfalls beispielsweise mit einem Spannungserfassungssensor verbunden sein, der ihr das aktuelle Spannungsniveau der Versorgungsspannung übermittelt. Hierdurch kann dann die bereits erwähnte spannungsniveauabhängige Umschaltung durch die Steuereinheit initialisiert werden. Es versteht sich von selbst, dass die Steuereinheit derart eingerichtet ist, alle Schaltelemente aller Schalteinheiten des Umrichters entsprechend zu schalten.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Betriebsmodus des Elektromotors ein Betrieb zu einer (temporären) Drehmomentsteigerung, auch als „Boost-Modus“ bezeichnet, oder ein Multilevelbetrieb. Bei dem Multilevelbetrieb kann es sich vorliegend um einen grundsätzlich bekannten Betriebsmodus von Elektromotoren handeln, bei dem eine Taktung bzw. Umschaltung in Abhängigkeit eines verfügbaren Spannungsniveaus oder -levels erfolgt. Hierdurch wird ein genauerer Sinusverlauf der Versorgungsspannung erreicht. Während des Multilevelbetriebs kann beispielsweise eine Umschaltung von Serienschaltung zu Parallelschaltung während eines Sinuszyklus erfolgen.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind mindestens die Hälfte der Phasen über einen gemeinsamen Sternpunkt oder eine gemeinsame Polygonschaltung, beispielsweise eine Dreieckschaltung verschaltet.
  • Ferner sind gemäß einer Ausführungsform bei Sternschaltung der mindestens eine erste Sternpunkt der ersten Hälfte der Phasen und der mindestens eine zweite Sternpunkt der zweiten Hälfte der Phasen getrennt. Mit anderen Worten weisen die beiden Sternschaltungen getrennte Sternpunkte auf. Grundsätzlich sind bei mehreren Sternpunkten, beispielsweise bei 4 Sternpunkten (zwei erste Sternpunkte der ersten Hälfte der Phasen und zwei zweite Sternpunkte der zweiten Hälfte der Phasen) bei einem 12-Phasigen-Elektromotor diese ebenfalls voneinander getrennt ausgebildet. Eine derartige Verschaltung hat sich insbesondere hinsichtlich eines verbesserten Oberwellenverhaltens als vorteilhaft erwiesen.
  • Gemäß einer Weiterbildung ist eine Sicherungseinheit, auch als „Circuit Breaker Unit“ bezeichnet, zwischen dem Umrichter und dem Elektromotor angeordnet. Durch die Sicherungseinheit, die vorzugsweise pro Phase zumindest ein Sicherungsschaltelement aufweist, ist ein vorzugsweise galvanisches Trennen des Umrichters von dem Elektromotor in einem Fehlerfall sichergestellt.
  • Gemäß einer Weiterbildung sind die Schalteinheiten der ersten Hälfte der Phasen und die Schalteinheiten der zweiten Hälfte der Phasen jeweils an unterschiedliche Spannungsversorgungseinheiten angeschlossen. D.h. die Schalteinheiten der ersten Hälfte der Phasen sind beispielsweise an eine erste Spannungsversorgungseinheit und die Schalteinheiten der zweiten Hälfte der Phasen sind beispielsweise an eine zweite Spannungsversorgungseinheit angeschlossen. Somit kann der Umrichter doppelt versorgt werden, was eine weitere Redundanzebene bzw. -möglichkeit hinsichtlich der Spannungsversorgung schafft. Um eine weitere Redundanz zu schaffen ist es auch möglich, zwei Mikrocontroller vorzusehen.
  • In einer Ausführungsform sind die Schalteinheiten in einer gemeinsamen Baueinheit angeordnet und insbesondere in einer gemeinsamen Baueinheit integriert. Mit anderen Worten sind somit die Versorgungsschaltelemente, die für die Beaufschlagung des Elektromotors mit der Versorgungsspannung dienen, und die Verbindungsschaltelemente, die ein Umschalten von Serien- zu Parallelschaltung und umgekehrt realisieren, in einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefasst. Hierdurch wird im Vergleich zu den bereits bekannten Ausgestaltungen, bei denen die oben genannten Schaltelemente üblicherweise in getrennten Einheiten ausgeführt sind, Platz, Gewicht und Kosten gespart.
  • Der Umrichter sowie der n-Phasen-Elektromotor können beispielsweise als elektrischer Antrieb (auch als Power-Pack bezeichnet) für diverse Industrieanwendungen und/oder als Antrieb für Fahrzeuge dienen.
  • Konkret wird die auf das Verfahren gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Umrichters, der an einen n-Phasen-Elektromotor angeschlossen ist, wobei
    • - n eine ganze Zahl größer oder gleich 6 ist;
    • - jede Phase zumindest eine Spule aufweist;
    • - jeweils mindestens zwei Phasen zu einem Strang zusammengefasst sind;
    • - jeweils eine der zwei Phasen des Stranges zu der anderen Phase des Strangs um 180 Grad elektrisch gedreht ist und
    • - eine erste Hälfte der Phasen über mindestens einen ersten Sternpunkt oder eine erste Polygonschaltung und eine zweite Hälfte der Phasen über mindestens einen zweiten Sternpunkt oder eine zweite Polygonschaltung verschaltet sind,
    das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:
    • - Erfassen von zumindest einem Betriebsparameter des n-Phasen-Elektromotors oder Erfassen eines einzustellenden Betriebsmodus;
    • - Schalten der jeweils mindestens zwei Phasen eines Strangs in Abhängigkeit des erfassten Betriebsparameters oder des einzustellenden Betriebsmodus parallel oder in Serie zueinander.
  • Bei dem Umrichter handelt es sich insbesondere um den bereits vorstehend beschriebenen Umrichter. Die im Hinblick auf den Umrichter aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auf das Verfahren zu übertragen und umgekehrt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in teilweise stark vereinfachter Darstellung:
    • 1 ein vereinfachtes Schaltbild des erfindungsgemäßen Umrichters gemäß einer ersten Ausführungsform, der an einen Elektromotor angeschlossen ist,
    • 2 das Schaltbild gem. 1 mit darin gekennzeichnetem Verlauf eines Stroms bei Serienschaltung am Beispiel einer Phase,
    • 3 das Schaltbild gem. 1 mit darin gekennzeichnetem Verlauf eines Stroms bei Parallelschaltung am Beispiel der einen Phase,
    • 4 eine skizzierte Darstellung eines 12-Phasen-Systems in Sternschaltung mit jeweils getrennten Sternpunkten,
    • 5 ein vereinfachtes Schaltbild des erfindungsgemäßen Umrichters zum Anschluss an einen n-Phasen-Elektromotor,
    • 6 einen skizzierten Verlauf der Spannung während des Multilevelbetriebs, der durch den erfindungsgemäßen Umrichter realisiert ist sowie
    • 7 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Umrichters.
  • In den Figuren sind gleichwirkende Bauteile stets mit gleichen Bezugszeichen dargestellt.
  • Der in 1 dargestellte erfindungsgemäße Umrichter 2 ist an einen Elektromotor 4 mit sechs Phasen U, V, W, U', V', W' angeschlossen, der lediglich schematisch mit einem Kreis und seinen Anschlüssen abgebildet ist.
  • Jede Phase U, V, W, U', V', W' weist zumindest eine, im Ausführungsbeispiel gem. 1, genau eine Spule 6 auf (vgl. 2-5). Jeweils zwei Phasen U, V, W, U', V', W' sind zu einem Strang 8 zusammengefasst. Ein Strang 8 ist in 2 exemplarisch durch eine Umkreisung der jeweils den Strang 8 ausbildenden Phasen dargestellt. Jeweils eine der zwei Phasen U, V, W, U', V', W' des Stangs 8 ist zu der anderen Phase U, V, W, U', V', W' des gleichen Stangs 8 um 180 Grad elektrisch gedreht, also invertiert geschaltet. Die jeweils invertiert geschalteten Phasen U', V', W' sind mit einem Strich gekennzeichnet. So ist im Ausführungsbeispiel die Phase U' die zur Phase U invertiert geschaltete Phase, die Phase V' die zur Phase V invertierte Phase und die Phase W' die zur Phase W invertierte Phase.
  • Der Umrichter 2 weist ferner im Ausführungsbeispiel sechs Schalteinheiten 10 auf, die durch gestrichelte Rechtecke dargestellt sind. Jeweils eine Schalteinheit 10 ist einer Phase U, V, W, U', V', W' zugeordnet. Zudem bilden jeweils die Schalteinheiten 10 der zwei Phasen U, V, W, U', V', W' eines Strangs 8 ein Schaltmodul 12 aus. In den Figuren bilden jeweils die bildlich betrachtet übereinanderstehenden Schalteinheiten 10 ein Schaltmodul 12 aus, sodass der erfindungsgemäße Umrichter 2 gemäß 1 drei Schaltmodule 12 aufweist. Hierbei ist jeweils jede Phase U, V, W, U', V', W' eines Strangs 8 mit jeweils einer der beiden Schalteinheiten 10 des zugeordneten Schaltmoduls 12 direkt, also ohne ein dazwischen angeordnetes Bauteil, verbunden. Mit anderen Worten ist bei dem Umrichter 2 gemäß 1 - in der Bildebene betrachtet - die obere, linke Schalteinheit 10 direkt mit der Phase U verbunden, während die untere, linke Schalteinheit 10 direkt mit der Phase U' verbunden ist. Die obere, linke Schalteinheit und die untere, linke Schalteinheit bilden hierbei ein zuvor erwähntes Schaltmodul 12 aus. Analog hierzu ist die obere, mittige Schalteinheit 10 direkt mit der Phase V verbunden, während die untere, mittige Schalteinheit 10 direkt mit der Phase V' verbunden ist. Ferner ist die obere, rechte Schalteinheit 10 direkt mit der Phase W verbunden, während die untere, rechte Schalteinheit 10 direkt mit der Phase W' verbunden ist. In den Figuren repräsentieren Punkte auf zwei sich kreuzenden Leitungen eine leitende Verbindung, während sich ohne dargestellten Punkt kreuzende Linien nicht elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Jede Schalteinheit 10 ist mit einer lediglich schematisch dargestellten Spannungsversorgungseinheit 14 verbunden, die die einzelnen Phasen U, V, W, U', V', W' mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt. Hierzu weist jede Schalteinheit 10 zwei Versorgungsschaltelemente 16 auf. Die Versorgungsschaltelemente 16 sind im Ausführungsbeispiel als MOSFET ausgebildet. Unter der Versorgungsspannung kann hierbei beispielsweise eine Ausgangsspannung des Umrichters 2 verstanden werden, mit der der Elektromotor 4 beaufschlagt wird.
  • Zudem sind die Schalteinheiten 10 eines Schaltmoduls 12 über eine elektrische Verbindungsleitung 18 miteinander verbunden. In den Schalteinheiten 10 eines Schaltmoduls 12 ist jeweils ein Verbindungsschaltelement 20 angeordnet. Mit anderen Worten sind somit in jeder Verbindungsleitung 18 jeweils zwei Verbindungsschaltelemente 20 angeordnet, von denen jeweils eines einer Schalteinheit 10 des Schaltmoduls 12 zugeordnet ist, bzw. dort angeordnet ist.
  • In Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter des Elektromotors 4 oder zur Einstellung eines Betriebsmodus des Elektromotors 4 sind die jeweils zwei Phasen U, V, W, U', V', W' eines Strangs 8 parallel oder in Serie zueinander geschaltet. Hierzu weist der Umrichter 2 eine Steuereinheit 22 auf, die derart eingerichtet ist, die Versorgungsschaltelemente 16 und die Verbindungsschaltelemente 20 anzusteuern.
  • Ergänzend weist der Umrichter 2 eine Sicherungseinheit 24 auf, die auch als „Circuit Breaker Modul“ bezeichnet wird und zwischen dem Elektromotor 4 und dem Umrichter 2 angeordnet ist. Die Sicherungseinheit 24 weist üblicherweise nicht dargestellte Schaltelemente auf, die dazu eingerichtet sind, den Elektromotor 4 in einem Fehlerfall vorzugsweise galvanisch von dem Umrichter 2 zu trennen.
  • Die genaue Verschaltung zusammen mit einem Stromverlauf wird nachfolgend für einige ausgewählte Fälle und Phasen U, V, W, U', V', W' erläutert. Dies gilt analog für die jeweils anderen Fälle bzw. Phasen U, V, W, U', V', W'.
  • In 2 ist das Schaltbild des Umrichters 2 gemäß 1 erneut dargestellt. Der Elektromotor 4 ist in 2 lediglich auf die sechs Phasen U, V, W, U', V', W' reduziert dargestellt. Ferner ist vereinfacht die Verschaltung bzw. die Anschlüsse der einzelnen Phasen U, V, W, U', V', W' an die Anschlüsse des Umrichters 2 gezeigt. Die Verschaltung durch die Sicherungseinheit 24 ist lediglich vereinfacht durch gestrichelte Linien gezeigt.
  • Wie in 2 zu erkennen ist, ist jeweils eine erste Hälfte 26 und eine zweite Hälfte 28 der Phasen U, V, W, U', V', W' über jeweils einen gemeinsamen Sternpunkt 30a, 30b miteinander verschaltet. Hierbei ist mit dem Bezugszeichen 30a der erste Sternpunkt der ersten Hälfte 26 der Phasen U, V, W, U', V', W' und mit dem Bezugszeichen 30b der zweite Sternpunkt der zweiten Hälfte 28 der Phasen U, V, W, U', V', W' gekennzeichnet. Bei nachfolgenden Ausführungen, die beide Sternpunkte 30a, 30b betreffen, wird der Einfachheit halber auch lediglich das Bezugszeichen 30 verwendet. Alternativ sind jeweils die erste Hälfte 26 und die zweite Hälfte 28 über eine Polygonschaltung, insbesondere über eine Dreieckschaltung miteinander verbunden. Mit anderen Worten bilden somit jeweils drei Phasen eine Sternschaltung mit einem Sternpunkt 30 aus. Speziell bilden gemäß der Ausführungsform in 2 die invertierten Phasen und die nicht invertierten Phasen jeweils eine Hälfte 26, 28 aus, die jeweils über einen gemeinsamen Sternpunkt 30 verschaltet sind.
  • Nachfolgend wird ein Stromverlauf bei einem Strom I bei Serienschaltung der Phasen U, V, W, U', V', W' erläutert. Als Beispiel dient hierbei die Phase U sowie die hierzu invertiert geschaltete Phase U', denen das - in der Bildebene betrachtet - linke Schaltmodul 12 zugeordnet ist.
  • Werden allgemein nachfolgend Begriffe wie obere oder untere sowie rechte, mittige oder linke Schalteinheit 10 verwendet, so bezieht sich dies auf die Darstellung innerhalb der Figuren und soll einem einfacheren Verständnis dienen. Im Folgenden wird ein Schaltzustand beschrieben, bei dem nicht erwähnte Schaltelemente geschlossen, also nicht durchlässig geschaltet sind, es sei denn es ist etwas Anderes explizit erwähnt. Der Stromverlauf ist durch mehrere Pfeile grob gekennzeichnet.
  • Ist das linke Schaltmodul 12 mit einer positiven Versorgungsspannung beaufschlagt, fließt ein elektrischer Strom I durch das obere Versorgungsschaltelement 16 der oberen, linken Schalteinheit 10 und durch die daran angeschlossene Leitung über den Phasenanschluss U in den Elektromotor 4. Dort fließt der Strom I durch die Spule 6 der Phase U in Richtung des Sternpunktes 30a der ersten Hälfte 26. In diesem Sternpunkt 30a teilt sich der Strom I auf und fließt jeweils durch die Spulen 6 der Phasen W und V in Richtung der Phasenanschlüsse aus dem Elektromotor 4 heraus. Der Teilstrom Iτ, der durch den Phasenanschluss der Phase W in den Umrichter 2 zurückfließt, fließt über die elektrische Verbindungsleitung 18 des rechten Schaltmoduls 12 und damit durch das Verbindungsschaltelement 20 der oberen, rechten Schalteinheit 10 und der unteren, rechten Schalteinheit 10, bevor er erneut über den Phasenanschluss der Phase W' in den Elektromotor 4 zurückfließt. Dort fließt der Teilstrom IT über die Spule 6 der Phase W in den Sternpunkt 30b der zweiten Hälfte 28.
  • Der Teilstrom IT, der durch den Phasenanschluss der Phase V in den Umrichter 2 zurückfließt, fließt über die elektrische Verbindungsleitung 18 des mittleren Schaltmoduls 12 und damit durch das Verbindungsschaltelement 20 der oberen, mittleren Schalteinheit 10 und der unteren, mittleren Schalteinheit 10, bevor er erneut über den Phasenanschluss der Phase V' in den Elektromotor 4 zurückfließt. Dort fließt der Teilstrom IT über die Spule 6 der Phase V' ebenfalls in den Sternpunkt 30b der zweiten Hälfte 28.
  • Die beiden sich in diesem Sternpunkt 30b der zweiten Hälfte 28 treffenden Teilströme IT fließen dann als ein Strom I durch die Spule der Phase U' (hier in entgegengesetzter Richtung als vormals durch die Spule 6 der Phase U) zurück in den Umrichter 2, nämlich in die untere, linke Schalteinheit 10 und über das untere Versorgungsschaltelement 16 der unteren, linken Schalteinheit 10 auf Masse.
  • Analog hierzu fließen die Ströme bei Beaufschlagung der anderen Phasen und in umgekehrter Richtung bei einer Beaufschlagung mit einer negativen Versorgungsspannung bzw. während der negativen Halbwelle bei einer Wechselspannung. Hierbei ist lediglich unterschiedlich, dass - bezogen auf die Phase U - in der oberen, linken Schalteinheit 10 das untere anstatt des oberen Versorgungsschaltelements 16 durchlässig geschaltet ist und in der unteren, linken Schalteinheit 10 das obere anstatt des unteren Versorgungsschaltelements 16 durchlässig geschaltet ist.
  • Es versteht sich jedoch von selbst, dass das vorstehende Beispiel lediglich einen konkreten, temporären Schaltzustand der im regulären Betrieb, z.B. mittels einer Pulsweitenmodulation getakteten Schaltelemente 16, 20 darstellt. Ferner dient der vorstehend beschriebene Stromverlauf als nicht einschränkendes Beispiel für einen Stromverlauf innerhalb des Umrichter 2 und des Elektromotors 4. Es sind auch andere Stromverläufe, die durch die angegebene Verschaltung des Umrichters ermöglicht sind, denkbar.
  • Speziell und erfindungswesentlich ist die elektrische Verbindungsleitung 18 sowie die darin angeordneten Verbindungsschaltelemente 20, die die kompakte Bauweise und die den oben beschriebenen Stromfluss sowie die Serienschaltung innerhalb des erfindungsgemäßen Umrichters 2 ermöglichen.
  • In 3 wird nun der Stromverlauf am Beispiel der Phase U bei einer Parallelschaltung dargestellt und erklärt:
    • Hierbei ist das obere Versorgungsschaltelement 16 der oberen, linken Schalteinheit 10 durchlässig geschaltet und ein elektrischer Strom I fließt hierüber in den Phasenanschluss der Phase U in den Elektromotor 4. Dort fließt der Strom I durch die Spule 6 der Phase U in den Sternpunkt 30a der ersten Hälfte 26 und teilt sich dort auf. Nachdem der Strom I in Teilen durch die Spulen 6 der Phasen W und V und deren Phasenanschlüsse erneut in den Umrichter 2 zurückgeflossen ist, fließen die Stromteile IT jeweils über die unteren Versorgungsschaltelemente 16 sowohl des oberen, mittigen Schalteinheit 10 und der oberen, rechten Schalteinheit 10 auf Masse.
  • Analog hierzu fließt gleichzeitig jeweils ein elektrischer Teilstrom IT durch die beiden oberen Versorgungsschaltelemente 16 der unteren, mittigen Schalteinheit 10 und der unteren, rechten Schalteinheit 10. Die beiden Teilströme IT fließen anschließend über die Phasenanschlüsse der Phasen W' und V' und durch die Spulen 6 der Phasen W' und V' in den Sternpunkt 30b der zweiten Hälfte 28. Nachdem die beiden Teilströme IT dort zu einem Strom I zusammengeflossen sind, fließt dieser durch die Spule 6 der Phase U' über den Phasenanschluss der Phase U' aus dem Elektromotor 4 heraus und in den Umrichter 2 hinein, um dort durch das untere Versorgungsschaltelement 16 der unteren, linken Schalteinheit 10 auf Masse abzufließen.
  • Im Grunde entspricht somit die Parallelschaltung einer Verschaltung mittels sechs unabhängigen Halbbrücken.
  • In 4 ist eine skizzierte Darstellung eines Zwölf-Phasen-Systems U, V, W, X, Y, Z, U', V', W', X', Y', Z' in Sternschaltung mit jeweils getrennten Sternpunkten 30 gezeigt. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Phasen innerhalb des Elektromotors 4 werden jeweils drei Phasen zu einem Stern zusammengeschaltet und die Sternpunkte 30 der somit vier separaten Sternschaltungen sind alle voneinander getrennt. Dies hat sich insbesondere hinsichtlich der Vermeidung von unerwünschten Oberwellen als vorteilhaft erwiesen.
  • In 5 ist eine schematische Darstellung eines Schaltbildes des erfindungsgemäßen Umrichters 2 für einen n-Phasen-Elektromotor 4 gezeigt. Zur Vereinfachung ist in 5 lediglich der Umrichter 2, der Elektromotor 4 und die Sicherungseinheit 24 dargestellt.
  • Gemäß dem Schaltbild in 5 sind die Schalteinheiten 10 in drei Blöcke, die mit den Großbuchstaben A, B und C versehen sind, unterteilt. Die Schalteinheiten 10 gemäß der Blöcke A und C entsprechen den bereits vorstehend beschriebenen Schalteinheiten 10. Die Schalteinheiten 10 gemäß Block B unterscheiden sich insoweit von den Schalteinheiten 10 der Blöcke A und C, dass sie jeweils zwei Verbindungsschaltelemente 20 aufweisen. Dieser Ausgestaltung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Schalteinheiten 10 gemäß Block B als „Verbindungseinheiten“ dienen und somit die Schalteinheiten 10 gemäß Block A und die Schalteinheiten 10 gemäß Block C miteinander verbinden, wenn der Elektromotor mehrere Phasen und insbesondere mehr als die bisher beschriebenen sechs Phasen aufweist. Bei einer Ausführung des Umrichters 2 mit beispielsweise neun Schalteinheiten 10, also den Blöcken A, B und C mit jeweils drei Schalteinheiten 10, kann ein 9-Phasen-Elektromotor betrieben werden. Um weitere mehrphasige Elektromotoren 4 zu betreiben, kann der Block B mehrfach zwischen dem Block A und dem Block C angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend können pro Block mehrere Schalteinheiten 10 (schematisch durch gewellte Linien am jeweiligen rechten Ende der Blöcke A, B, C dargestellt) vorgesehen sein, um mehrere Phasen pro Block abdecken zu können. Durch die in 5 gezeigte Modularität des erfindungsgemäßen Umrichters 2 kann dieser somit an mehrphasige Elektromotoren 4 angepasst werden.
  • 6 zeigt einen skizzierten Verlauf der Spannung U bzw. der Umschaltintervalle von Parallelschaltung zu Serienschaltung und umgekehrt des Umrichters 2 während des Multilevelbetriebs.
  • Hierbei ist mit dem Bezugszeichen Uschwell der Spannungswert gekennzeichnet, ab dem zwischen der Serienschaltung und der Parallelschaltung umgeschaltet wird. Dies ist ebenfalls grafisch in der 6 durch senkrechte Striche sowie die geschweiften Klammern über dem jeweiligen Schaltbereich verdeutlicht. Durch die getaktete, reale Spannung Ureal wird eine sinusförmige Sollspannung Usoll eingestellt. Da der Multilevelbetrieb von Umrichtern grundsätzlich bekannt ist, wird auf weitere, detailliertere Ausführungen hierzu verzichtet.
  • In 7 ist ein alternatives Beispiel des Umrichters 2 gezeigt. Hierbei weist jede Schalteinheit 10 acht Versorgungsschaltelemente 16 und ein lediglich schematisch dargestelltes Verbindungsschaltelement 20 auf. In 6 ist ein Umrichter 2 zum Betrieb eines Elektromotors 4 mit sechs Phasen (U, V, W, U', V', W') dargestellt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2
    Umrichter
    4
    Elektromotor
    6
    Spule
    8
    Strang
    10
    Schalteinheit
    12
    Schaltmodul
    14
    Spannungsversorgungseinheit
    16
    Versorgungsschaltelement
    18
    elektrische Verbindungsleitung
    20
    Verbindungsschaltelement
    22
    Steuereinheit
    24
    Sicherungseinheit
    26
    erste Hälfte der Phasen
    28
    zweite Hälfte der Phasen
    30a
    erster Sternpunkt der ersten Hälfte der Phasen
    30b
    zweiter Sternpunkt der zweiten Hälfte der Phasen
    U
    Phase des Elektromotors
    V
    Phase des Elektromotors
    W
    Phase des Elektromotors
    X
    Phase des Elektromotors
    Y
    Phase des Elektromotors
    Z
    Phase des Elektromotors
    U'
    invertierte Phase des Elektromotors
    V'
    invertierte Phase des Elektromotors
    W'
    invertierte Phase des Elektromotors
    X'
    invertierte Phase des Elektromotors
    Y'
    invertierte Phase des Elektromotors
    Z'
    invertierte Phase des Elektromotors
    I
    Strom
    IT
    Teilstrom
    A
    erster Block von Schaltelementen
    B
    zweiter Block von Schaltelementen
    C
    dritter Block von Schaltelementen
    Uschwell
    Schwellenspannungswert für Umschaltung
    Ureal
    realer Spannungswert
    Usoll
    Sollspannungswert

Claims (10)

  1. Umrichter (2), der zum Anschluss an einen n-Phasen-Elektromotor (4) ausgebildet ist, wobei: - n eine ganze Zahl größer oder gleich 6 ist; - jede Phase (U, V, W, U', V', W') zumindest eine Spule (6) aufweist; - jeweils mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W') zu einem Strang (8) zusammengefasst sind; - jeweils eine der mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W') des Strangs (8) zu der anderen der mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W') des Strangs (8) um 180 Grad elektrisch gedreht ist und - eine erste Hälfte (26) der Phasen (U, V, W, U', V', W') über mindestens einen ersten Sternpunkt (30a) oder eine erste Polygonschaltung und eine zweite Hälfte (28) der Phasen (U, V, W, U', V', W') über mindestens einen zweiten Sternpunkt (30b) oder eine zweite Polygonschaltung verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (2) n Schalteinheiten (10) aufweist, wobei jeweils eine Schalteinheit (10) einer Phase (U, V, W, U', V', W') zugeordnet ist und jeweils die Schalteinheiten (10) der mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W') eines Strangs (8) ein Schaltmodul (12) ausbilden, wobei - jede Phase (U, V, W, U', V', W') eines Strangs (8) mit jeweils einer der beiden Schalteinheiten (10) des zugeordneten Schaltmoduls (12) direkt verbunden ist; - jede Schalteinheit (10) mit einer Spannungsversorgungseinheit (14) verbunden ist, wobei jede Schalteinheit (10) zwei Versorgungsschaltelemente (16) aufweist, zum Beaufschlagen der verbundenen Phase (U, V, W, U', V', W') mit einer Versorgungsspannung; - die Schalteinheiten (10) eines Schaltmoduls (12) über eine elektrische Verbindungsleitung (18) miteinander verbunden sind, wobei in den Schalteinheiten (10) eines Schaltmoduls (12) jeweils ein Verbindungsschaltelement (20) in der elektrischen Verbindungsleitung (18) angeordnet ist, sodass in Abhängigkeit zumindest eines Betriebsparameters des Elektromotors (4) und/oder zur Einstellung eines Betriebsmodus des Elektromotors (4) die jeweils mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W') des Strangs (8) parallel oder in Serie zueinander geschaltet sind.
  2. Umrichter (2) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Betriebsparameter eine Betriebsart, insbesondere ein Betrieb im Feldschwächbereich oder im Grundstellbereich, und/oder ein aktuelles Spannungsniveau der Versorgungsspannung und/oder ein Ausfall eines oder mehrerer Betriebselemente (16, 20) ist.
  3. Umrichter (2) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (22) zur Ansteuerung der Versorgungsschaltelemente (16) und der Verbindungsschaltelemente (20), wobei die Steuereinheit (22) derart eingerichtet ist, in Abhängigkeit des zumindest einen Betriebsparameters des Elektromotors (4) oder zur Einstellung des Betriebsmodus des Elektromotors (4) die jeweils mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W) des Strangs (8) parallel oder in Serie zueinander zu schalten.
  4. Umrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmodus ein Betrieb des Elektromotors (4) zu einer Drehmomentsteigerung oder ein Multilevelbetrieb ist.
  5. Umrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Hälfte der Phasen (U, V, W, U', V', W') über einen gemeinsamen Sternpunkt (30a, 30b) oder eine Polygonschaltung verschaltet sind.
  6. Umrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Sternschaltung der mindestens eine erste Sternpunkt (30a) der ersten Hälfte (26) der Phasen (U, V, W, U', V', W') und der mindestens eine zweite Sternpunkt (30b) der zweiten Hälfte (28) der Phasen (U, V, W, U', V', W') getrennt sind.
  7. Umrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch, eine Sicherungseinheit (24), die zwischen dem Umrichter (2) und dem Elektromotor (4) angeordnet ist.
  8. Umrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (10) die erste Hälfte (26) der Phasen (U, V, W, U', V', W') und die Schalteinheiten (10) der zweiten Hälfte (28) der Phasen (U, V, W, U', V', W') jeweils an unterschiedliche Spannungsversorgungseinheiten (14) angeschlossen sind.
  9. Umrichter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheiten (10) in einer gemeinsamen Baueinheit angeordnet, insbesondere integriert sind.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Umrichters (2), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der an einen n-Phasen-Elektromotor (4) angeschlossen ist, wobei - n eine ganze Zahl größer oder gleich 6 ist; - jede Phase (U, V, W, U', V', W') zumindest eine Spule (6) aufweist; - jeweils mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W') zu einem Strang (8) zusammengefasst sind; - jeweils eine der mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W') des Strangs (8) zu der anderen Phase (U, V, W, U', V', W') des Strangs (8) um 180 Grad elektrisch gedreht ist und - eine erste Hälfte (26) der Phasen (U, V, W, U', V', W') über mindestens einen ersten Sternpunkt (30a) oder eine erste Polygonschaltung und eine zweite Hälfte (28) der Phasen (U, V, W, U', V', W') über mindestens einen zweiten Sternpunkt (30b) oder eine zweite Polygonschaltung verschaltet sind, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: - Erfassen von zumindest einem Betriebsparameter des n-Phasen-Elektromotors (4) und/oder Erfassen eines einzustellenden Betriebsmodus; - Schalten der jeweils mindestens zwei Phasen (U, V, W, U', V', W) des Strangs (8) in Abhängigkeit des erfassten Betriebsparameters bzw. des einzustellenden Betriebsmodus parallel oder in Serie zueinander.
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