DE19851712C2

DE19851712C2 - Verfahren zur Speisung einer geschalteten Reluktanz- und Transversalflußmaschine

Info

Publication number: DE19851712C2
Application number: DE19851712A
Authority: DE
Inventors: Pascha Tavana-Nejad; Hans-Peter Beck; Rolf-Ruediger Canders
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2018-10-31
Also published as: DE19851712A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speisung einer Reluktanz- oder Transversalflussmaschine.

Gemäß dem aus der DE 28 13 784 A1 bekannten Verfahren wird die gesamte in einem Maschinenstrang elektromagnetisch gespeicherte Energie nach dem Abschalten mittels eines zugeordneten Halbleiterschalters durch eine magnetische Kopplung über eine Hilfswicklung dem Gleichspannungszwischenkreis zugeführt. Diese Energie wird dann erst wieder nach dem Zuschalten des zugehörigen Halbleiterschalters eines Folgestranges aus dem Gleichspannungszwischenkreis in den Folgestrang geholt. Das führt zu elektrischen Verlusten in den Halbleiterschaltern und zu entsprechenden Belastungen letzterer.

Auch bei einem aus der DE 30 10 435 C3 bekannten Verfahren sind die beiden betreffenden Maschinenstränge miteinander auf einem Maschinenpol magnetisch fest gekoppelt. Hier übernehmen jeweils die Hauptwicklungen auf ähnliche Weise, wie dies auch bei dem Verfahren nach der DE 28 13 874 A1 der Fall ist, die Rolle der magnetisch gekoppelten Hilfswicklung.

Durch die EP 0 866 547 A1 ist eine Gleichstrommaschine bekannt, bei der der lange Zeit übliche elektromechanische Kommutator durch einen elektronischen Kommutator ersetzt worden ist. Dabei wird die Magnetisierungsenergie eines Joches zyklisch zurückgewonnen und dem funktionell nachfolgenden Joch übertragen. Allerdings haben Gleichstrommaschinen - anders als die Mischstrommaschinen, auf die sich die Erfindung bezieht - generell konstruktiv bedingt magnetisch getrennte Kreise ("Joche"). Damit können auch lediglich Selbstinduktionsspannungen in den die Joche umfassenden Spulen zur Unterstützung der Kommutierung genutzt werden.

In der WO 98/28838 A1 ist eine Leistungselektronik für einen Synchronmotor beschrieben, der wie üblich ein zweidimensionales Magnetfeld aufweist. Bei dieser bekannten Anordnung wird die nicht in Bewegungsenergie umgesetzte Restenergie mittels einer Spannung aus transformatorischer Kopplung - mithin über eine ruhende magnetische Anordnung mit Gegeninduktivität - auf die jeweils andere Phasenwicklung transferiert. Die solchermaßen nicht mehr transformierbare verbleibende Restenergie wird einem RC-Glied zugeführt und dort gespeichert bzw. in Wärme umgewandelt. D. h. bei der bekannten Leistungselektronik werden Gegeninduktionsspannungen (also transformatorisch über ruhende magnetisch gekoppelte Spulen erzeugte Spannungen) ausgenutzt.

Aus dem Vergleich von Vor- und Nachteilen der Synchronmaschinen ist bekannt, dass die Reluktanzmaschine die einfachste, preiswerteste und störunanfälligste Maschinenart ist. Da die Leistungsfähigkeit einer Reluktanzmaschine stark vom Verhältnis der unterschiedlichen Induktivitäten in der Längsfeld- und Querfeldrichtung des Läufers abhängt, strebt man durch konstruktive Maßnahmen einen magnetisch stark unsymmetrischen Aufbau der Aktivteile an.

In den vergangenen Jahren wurden Reluktanzmaschinen mit wechselnden magnetischen Leitwerten sowohl im Läufer als auch im Ständer, d. h. mit "doppelseitiger Polausprägung" (double saliency) vorgestellt. Hierzu zählen die stromrichtergespeisten Varianten, nämlich sowohl die weitverbreiteten geschalteten Reluktanzmaschinen als auch Transversalflussmaschinen. Es handelt sich um mehrphasige Mischstrommaschinen, bei denen die Magnetfelder der einzelnen Spulen nicht entkoppelt sind. Das schon deshalb nicht, weil es dreidimensionale Anordnungen sind, bei denen im Gegensatz zu üblichen rotationssymmetrischen Dreh- und Wechselstrommaschinen die dritte Dimension einen wesentlichen (bisher nicht genügend erfassten) Einfluss auf die Kopplung der Magnetfelder ausübt.

In Fig. 1 sind prinzipiell dazu die vierphasigen Varianten dargestellt (Fig. 1a Axialschnitt einer Transversalflussmaschine, Fig. 1b Blechschnitt eines Reduktanzmotors mit 8 Ständerpolen und 6 Rotorpolen).

Zur Stromrichterspeisung geschalteter Reluktanzmaschinen existieren in der Literatur eine Vielzahl von Stromrichterschaltungsvarianten, die je nach Stromrichtertopologie unterschiedliche Vor- und Nachteile aufweisen und nur eingeschränkt den gestellten Anforderungen gerecht werden können. Meist sind auf dem Weg zur Minimierung des Blindleistungsbedarfes einer Maschine und dessen Stromrichteraufwand bzw. -kosten gegenüber dem Standardstromrichter (Standard: klassischer Zwei-Quadranten-Steller nach Fig. 2) Einbußen in der Maschinendynamik in Kauf zu nehmen. Der aufwendige klassische Stromrichter ist bei den Maschinen mit hoher Ausnutzung insbesonders bei größeren Phasenzahlen <= 4 die noch in der Praxis meist gewählte Lösung. Dieser gestattet mit insgesamt vier Ventilen (2 Schalter meist als IGBTs und zwei Dioden) pro Strang eine Optimierung der Ein- und Ausschaltzeitpunkte zur Leistungsoptimierung bzw. Maximierung der Leistungsausbeute durch unabhängige Ansteuerung einzelner Stränge.

So ist in Fig. 2 ein Zwischenkreiskondensator C_d gezeigt, der eine Spannung U_d an eine Zweiquadrantenstromrichter-Einzelstrangschaltung legt, in die aus dem Zwischenkreis ein Strom i_z fließt. Je Strang sind zwei IGBT-Schalter S11, S12 bzw. S21, S22 sowie zwei Dioden D1, D2 bzw. D3, D4 vorgesehen. Der Stromrichter arbeitet auf eine elektrische Maschine, z. B. Reluktanzmaschine, die schematisch durch 2 gegeneinander um 180° elektrisch versetzte Phasenwicklungen (Wicklungsstränge) L_S1(E), L_S2(E) und ihre rotatorisch induzierten Spannungen U_rot1, U_rot2 dargestellt ist. Durch die Wicklungsstränge L_S1(E), L_S2(E) fließen vom Stromrichter geschaltete Strangströme i₁, i₂.

Die erfindungsgemäße Lösung hat zum Ziel, diese Vorteile auch mit einer weniger aufwendigen Schaltung zu erreichen.

Diese erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Damit wird eine teilweise Rückspeisung der magnetischen Energie in den Gleichspannungszwischenkreis vermieden, wodurch Verluste im Wechselrichter reduziert werden und wodurch der durch die Maschinenkommutierung direkt in die Folgewicklung geleitete Strom zu einer Reduzierung des zu Beginn der Kommutierung in den Hauptzweigventilen des Wechselrichters fließenden Stromes führt, so daß die Ventilbelastung (weichere Kommutierung) und die Stromsteilheit der Ständerströme herabgesetzt werden ("Oberschwingungsreduzierung").

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den restlichen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungsfiguren 3 bis 8 erläutert werden. Es zeigen

Fig. 3a und b zwei Varianten einer Doppelstrangwicklung eines Wechselrichters, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet (im folgenden als Kommutierungskonverter bezeichnet).

Fig. 4.1 Zeitverläufe der Strangspannung, -strom und -induktivität für den Wicklungsstrang 2 für die Schaltungsart: Standardstromrichter nach Fig. 2

a) ohne Vorzündung: 0° el.
b) mit optimalem Vorzündwinkel: 80° el.

Fig. 4.2 Zeitverläufe der Strangspannung des Wicklungsstranges 2 und der Strangströme i1 und i2 für die Schaltungsart: Standardstromrichter nach Fig. 2

a) ohne Vorzündung: 0° el.
b) mit optimalem Vorzündwinkel: 80° el.

Fig. 5.1 Zeitverläufe der Strangspannung, -strom und -induktivität des Wicklungsstranges 2 für die Schaltungsart: Kommutierungskonverter nach Fig. 3a

a) ohne Vorzündung: 0° el.
b) mit optimalem Vorzündwinkel: 40°

Fig. 5.2 Zeitverläufe der Strangspannung der Strangwicklung 2 und der Strangströme 1 und 2 für die Schaltungsart: Kommutierungskonverter nach Fig. 3a

a) ohne Vorzündung: 0° el.
b) mit optimalem Vorzündwinkel: 40° el.

Fig. 6 den Kommutierungskonverter nach Fig. 3a mit einem Symmetrier- Transformator (Schaltung mit sanfter Kommutierung)

Fig. 7 den Kommutierungskonverter mit einem Kommutierungsbeschleuniger und Reversier-Schalter (Schaltung mit beschleunigter Kommutierung)

Fig. 8 den Kommutierungskonverter mit Symmetrier-Transformator und Kommutierungsbeschleuniger und Reversier-Schalter (Schaltung mit sanfter beschleunigter Kommutierung)

Die nach dem Verfahren nach der Erfindung arbeitende Schaltung (im folgenden Kommutierungskonverter genannt) ist durch die Antiparallelschaltung von zwei Wicklungssträngen gekennzeichnet, womit gegenüber dem Standard (vgl. Fig. 2) die Ventilzahl verringert wird.

Die Bezeichnung der Schaltungselemente in Fig. 3 entspricht weitgehend derjenigen in Fig. 2, wobei in Fig. 3a je Strangpaar jedoch nur zwei Dioden D1, D2 bzw. in Fig. 3b insgesamt eine Diode D1 vorgesehen sind.

Das Einschalten einer Strangwicklung z. B. im motorischen Betrieb erfolgt durch das gleichzeitige Schließen von zwei diagonal angeordneten Schaltern (z. B. S11 und S12) im Induktivitätsminimum einer Strangwicklung. Hat der Strom i1 seinen Endwert erreicht, dann kann er nach zwei verschiedenen Betriebsarten auf seinem Sollwert (mittels Zweipunktregelung mit einer einstellbaren Hysterese) gehalten werden. Wird der Strom i1 zu groß, werden entweder beide Schalter S11 und S12 (Wechseltakten) oder nur einer z. B. S12 (Freilauf- oder Einzeltakten) geöffnet. Der Strom i1 klingt beim Wechseltakten schneller ab als beim Einzeltakten, weil die Induktivität Ls1 sich im ersten Fall sowohl gegen die Zwischenkreisspannung als auch die Maschinenspannung entlädt, im zweiten Fall wird sie in den Freilauf geschaltet, was zu kleineren Stromänderungsgeschwindigkeiten führt, weil nur noch die Maschinenspannung im Kreis wirksam ist. Da dieser Fall bei sonst gleichen Verhältnissen eine geringere Schaltfrequenz zur Folge hat und damit die Verluste gesenkt werden, ist im allgemeinen zu empfehlen, das Einzeltakten einzusetzen. Während der Kommutierung von Strangwicklung 1 (bzw. 2) auf Strangwicklung 2 (bzw. 1) werden auch die Ventilströme durch einen zusätzlichen Freilauf der Ständerströme i1(t), i2(t) innerhalb der Maschine reduziert.

Zum Abschalten von Strangwicklungen werden die Schalter S11 und S12 geöffnet. Die Kommutierung läuft dann weitgehend vom Abschaltzeitpunkt der Strangwicklung 1 an (dabei ist die Strangwicklung 2 zunächst stromlos, i2(t) = 0) bis zu dem Zeitpunkt der Stromgleichheit (i1(t) = i2(t)) maschinengeführt ab, d. h. die aus den rotatorisch induzierten Spannungen Urot1, Urot2 resultierende Spannung treibt, sofern alle Schalter geöffnet sind, solange den Freilaufstrom in die Folgestrangwicklung, bis die Ströme i1 und i2 gleich groß sind. Dabei ist es unerheblich, ob die Schalter S21 und S22 gleich zu Beginn der Kommutierung oder erst später bei Stromgleichheit beider Strangwicklungen eingeschaltet werden. Zu dem Zeitpunkt der Stromgleichheit müssen die Schalter S21 und S22 jedoch spätestens deshalb eingeschaltet werden, damit die natürliche Kommutierung, die nun beendet ist, durch die sog. Zwangskommutierung fortgesetzt werden kann, da sonst sich ein Kreisstrom in beiden Strangwicklungen einstellt, der das resultierende Drehmoment zu Null macht und einen mechanischen Leerlauf der Maschine herbeiführt.

Die Antiparallelschaltung zweier Strangwicklungen der Maschine bietet beim ungünstigsten Ausfall von Ventilen während des Betriebes den Sicherheitsaspekt zum Selbstschutz der Maschine, der durch das hier beschriebene Verfahren bei allen Schaltungsvarianten gewährleistet ist.

Ist die Kommutierungsphase von Strangwicklung 1 auf Strangwicklung 2 abgeschlossen, wird der Strom in der Strangwicklung 2 entsprechend obigen Verfahren auf seinen Endwert geregelt. Zu einem charakteristischen Vergleich des Betriebsverhaltens können die Stromformen des klassischen Stromrichters und Kommutierungskonverters herangezogen werden. Die Fig. 4.1 und 4.2 zeigen die Zeitverläufe für einen stationären Betriebspunkt bei Speisung der Maschine durch den klassischen Stromrichter und Fig. 5.1 und 5.2 die entsprechenden Strom-, Spannungs- und Induktivitätszeitverläufe durch den Kommutierungskonverter bei zwei unterschiedlichen Vorzündwinkeln. Hier sind die Rückwirkungen des Freilauftaktens durch den Strom des antiparallel geschalteten Maschinenstranges auch in der fallenden Flanke des Stromes beim Kommutierungskonverter sichtbar (s. Fig. 5.2), was aber kaum eine Beeinträchtigung des Betriebes mit sich bringt. Vielmehr kann der für die Reluktanzmaschinen typische Stromschweif, der bekanntlich auch zur negativen Momentbildung führen kann, durch weitere hier beschriebene ergänzende Maßnahmen, unterdrückt werden. Die magnetische Energie der stromführenden Strangwicklung wird damit, ohne den Gleichspannungszwischenkreis zu belasten, teilweise direkt in die Folgestrangwicklung weitergeleitet, was grundsätzliche Vorteile mit sich bringt.

Die Ventile und der Zwischenkreis werden damit von der Kommutierungs-Blindleistung mehr entlastet, wodurch die Verluste sinken.

Im folgenden sollen Ergänzungs- und Verbesserungsmöglichkeiten des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kommutierungskonverters aufgezeigt werden.

Da Reluktanzmaschinen im Luftspalt einen stark schwankenden Induktivitätsverlauf aufweisen, sind während der Kommutierung unterschiedliche Zeitkonstanten der beteiligten Zweige wirksam. Dies bedeutet für den Kommutierungskonverter nach Fig. 3 beispielsweise im Motorbetrieb, daß in dem abkommutierenden Zweig noch ein Reststrom fließt, obwohl der aufkommutierende Strom im Nachbarzweig den Sollwert bereits erreicht hat. Da durch den Verbleib des Reststromes in dem Maschinenstrang nach dem Vorzeichenwechsel des Induktivitätsgradienten unerwünschte negative Luftspaltmomente entstehen, die eine Reduzierung des mittleren Momentes bewirken, sind unterschiedliche Gegenmaßnahmen möglich:

A) Da die Einstellung eines optimalen Vorzündwinkels zur Steigerung des Drehmomentes und des totalen Leistungsfaktors bei allen Stromrichtervarianten für Reluktanzmaschinen durchführbar ist, ist dies auch stets bei den nachfolgenden Betrachtungen vorauszusetzen. Für den Kommutierungskonverter kann eine steuerungstechnische Maßnahme zur Unterdrückung der Restströme z. B. so erfolgen, daß eine Zweipunktregelung für den eingeschalteten Strang frühestens dann stattfindet, wenn der Strom in der ausgeschalteten Strangwicklung durch stattfindende Kommutierung auf Null abgeklungen ist, d. h. wenn die Schalter der zu bestromenden Strangwicklung noch eingeschaltet bleiben und der Strom dort solange ansteigt. Bei diesem Verfahren ist mit zusätzlicher Ventilbelastung und Momentenwelligkeit vor allem bei tiefen Drehzahlen und Nennstrom zu rechnen. Diese Nachteile werden aber bei hohen Drehzahlen durch größere Maschinenspannungen stark unterdrückt.
B) Eine schaltungstechnische Maßnahme zur Unterdrückung der Restströme ist durch den Einsatz eines Symmetrier-Transformators T (Symmetrierspannungen U₁, U₂) gegeben, der als Spannungsquelle auf induktivem Wege eine zusätzliche Kommutierungsspannung erzeugt und diese transformatorisch auch dem benachbarten Strang zur Verfügung stellt (Fig. 6). Dieser sollte nach einer ersten Abschätzung eine mindestens so große Induktivität aufweisen wie die mittlere Maschineninduktivität, damit erstere wirksam ist. Der Symmetrier-Transformator T wird in die beiden Maschinenstrangwicklungen in Kreuzschaltung so eingebunden, daß der abkommutierende Zweig eine Kommutierungsspannung erhält, wobei der aufkommutierende Strom im benachbarten Zweig entsprechend der vergrößerten Zweiginduktivität langsamer ansteigt, weshalb die Wahl größerer Induktivitäten nachteilig ist (L_Trafo 2 × L_Maschine). Auch hier ist wie bei den vorherigen Varianten eine stärkere Momentenausbeute durch Einstellung des optimalen Vorzündwinkels möglich. Die bei Reluktanzmaschinen typisch unterschiedlich verlaufenden steigenden und abfallenden Flanken des Stromes werden somit symmetriert, wobei in jedem Betriebspunkt eine "weichere" Kommutierung mit den zugehörigen Vorteilen die Folge ist.
C) Zur Steigerung des Leistungsfaktors läßt sich ein Kommutierungsbeschleuniger mit einem Kondensator C_z zur Spannungsverstärkung (U_c) und einem IGBT S_z inklusive Inversdiode D_z zur generatorischen Energierückspeisung und motorischen Sperrung für eine Doppelstrangschaltung realisieren (Fig. 7). Der Beschleuniger muß jeweils für ein Strangwicklungspaar, also für die Energieaufnahme von zwei Phasen, ausgelegt werden, welcher dann zur starken Reduzierung des Blindleistungsbedarfes bei gleichzeitiger Vermeidung negativer Drehmomente beitragen kann. Diese Ergänzungsvariante ist insbesondere für Motoren kleinerer Leistungen zu empfehlen.
D) Der Einsatz der Kombination von Symmetrier-Transformator T und Kommutierungsbeschleuniger zur Vervollständigung des Kommutierungskonverters (Fig. 8) führt hinsichtlich der erzielbaren mechanischen Leistung und des totalen Leistungsfaktors bei entsprechend optimaler Vorzündung zu besten Resultaten.

Claims

1. Verfahren zur Speisung einer geschalteten Reluktanz- oder Transversalflussmaschine, deren magnetischer Kreis ein gemeinsames Ständerjoch mit mehreren Wicklungssträngen gerader Phasenzahl aufweist, bei der

- ein selbstgeführter Wechselrichter in H-Brücken-Konfiguration mit Gleichspannungs zwischenkreis unipolare Ströme mit einstellbarer Phasenlage in den Wicklungs strängen der geschalteten Reluktanz- oder Transversalflussmaschine erzeugt,
- jeweils zwei Wicklungsstränge über mindestens ein Halbleiterventil antiparallel miteinander verbunden und gemeinsam als Brückenzweig an eine H-Brücke des Wechselrichters angeschlossen sind, wobei
- die zur Drehmomenterzeugung erforderliche magnetische Energie von einem Wicklungsstrang zum antiparallel verbundenen Wicklungsstrang unmittelbar weitergeleitet wird, und
- die Weiterleitung der magnetischen Energie von einem Wicklungsstrang zum antiparallel verbundenen Wicklungsstrang mit zumindest teilweiser Unterstützung der in den beiden Wicklungssträngen rotatorisch induzierten Spannungen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Reluktanz- oder Transversalflussmaschine mit gradzahliger Phasenzahl < 2, die aus einem oder mehreren Wicklungs strangpaaren mit 180° elektrischer Phasenversetzung bestehen, eingesetzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei jeweils zwei 180° elektrisch phasenversetzte Wicklungsstränge als Last über zwei Dioden antiparallel geschaltet und als einfache oder mehrfache Doppelstrangschaltung ausgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Unterstützung der Maschinenkommutierung eine mit Hilfe einer Symmetrierschaltung in den kommutierenden Wicklungssträngen transformatorisch erzeugte Zusatz kommutierungsspannung eingekoppelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Einphasen-Symmetriertransformator (T) zur Erzeugung der transformatorischen Zusatzkommutierungsspannungen in Reihe zu den parallelgeschalteten Wicklungssträngen der Reluktanz- oder Transversalfluss maschine mit einer Phasendrehung von 180° elektrisch geschaltet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei durch einen Kommutierungsbeschleuniger bestehend aus einem Kondensator und einem Schalter inklusive einer Inversdiode eine zusätzliche Spannung zur gleichzeitigen Beschleunigung des Kommutierungsvorganges in zwei antiparallel geschalteten Wicklungssträngen erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die durch endliche Strom steilheiten bedingten Symmetrier- bzw. Kommutierungszeiten der Strangströme innerhalb eines Wicklungsstrangpaares durch Einstellung eines Vorzündwinkels verkürzt werden.