DE69727416T2

DE69727416T2 - Umrichterschaltung für geschaltete mehrphasige induktive Last

Info

Publication number: DE69727416T2
Application number: DE69727416T
Authority: DE
Inventors: Paul Harrogate Webster
Original assignee: Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2017-04-09
Also published as: US5864477A; TW454375B; KR970072633A; DE69727416D1; EP0802623B1; KR100440668B1; GB9608216D0; ES2216108T3; EP0802623A1; SG54495A1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Umrichter-Schaltkreis für eine mehrphasige geschaltete induktive Last. Die Erfindung ist insbesondere, allerdings nicht ausschließlich, auf einen Umrichter-Schaltkreis für eine geschaltete Reluktanz-Maschine anwendbar.
1 stellt die grundlegenden Elemente einer typischen vierphasigen geschalteten Reluktanz-Maschine dar. Sie weist acht Schenkelpole am Stator und sechs Schenkelpole am Rotor auf. Sowohl der Stator als auch der Rotor sind beschichtet. Jeder Stator-Pol trägt eine einfache Erregerspule, und gegenüberliegende Spulen sind derart verschaltet, dass sie den Nord- und Süd-Pol einer 'Phase' bilden. Zum Zwecke der Klarheit ist nur eine Phasenwicklung gezeigt, die aus einer Gleichstrom-Versorgung erregt wird.
Das Drehmoment wird aufgrund der Tendenz des magnetischen Schaltkreises entwickelt, eine Konfiguration des minimalen magnetischen Widerstands anzunehmen, d. h. für ein Paar von Rotor-Polen, dass es mit einem erregten Paar von Stator-Polen in Ausrichtung zu gelangen hat, maximierend die Induktivität der Erregerspulen. Die kontinuierliche Rotation (in einer von beiden Richtungen) wird erreicht, indem die Phasen in der geeigneten Reihenfolge geschaltet werden, sodass das Drehmoment kontinuierlich in der erwünschten Richtung entwickelt wird. Je größer der den Spulen zugeführte Strom ist, umso größer ist das Drehmoment.
Ist ein Paar von Rotor-Polen vollständig mit einem Paar von Stator-Polen ausgerichtet, ist der effektive Luftspalt zwischen ihnen auf einem Minimum, und die Induktivität ist auf einem Maximum, sodass der die Spulen verbindende Fluss für einen gegebenen Strom ebenfalls auf einem Maximum ist. Aufgrund der Erregung der Wicklungsspulen werden die Magnetkräfte erzeugt, die dazu neigen, den Rotor in diese Ausrichtung des minimalen magnetischen Widerstands anziehen. Mittels zeitlichen Steuerns und Aneinanderreihens des Schaltens der jeweiligen Phase, während sich die Rotor-Pole den Paaren der Stator-Polen nähern, kann die kontinuierliche Rotation des Rotors erreicht werden.
In der gleichen Weise kann dieselbe geschaltete Reluktanz-Maschine als ein Generator vorgesehen sein, indem der Rotor an den Stator-Polen vorbei mechanisch getrieben wird und das Schalten der Spulen zeitlich gesteuert und aneinandergereiht wird, während die Rotor-Pole die Position des minimalen magnetischen Widerstands verlassen, sodass die mechanische Arbeit am Rotor in einen Strom umgewandelt wird, der in den Wicklungen fließt.
Ein herkömmlicher Umrichter-Schaltkreis ist derart gestaltet, dass er eine Gleichspannungs- oder gleichgerichtete Netz-Wechselspannungs-Zufuhr aufnimmt und sie gemäß einer Schaltstrategie an eine Last anlegt. Umrichter für geschaltete Reluktanz-Maschinen werden beschrieben im Dokument „The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives" von J. M. Stephenson und R. J. Blake, ausgegeben auf der PCIM '93 in Nürnberg, Deutschland, 21.–24. Juni 1993. Dieses Dokument offenbart den typischen, in 1 gezeigten 2-Schalter-Pro-Phase-Schaltkreis. Bei dieser Art eines Umrichter-Schaltkreises ist der Spannungsabfall über beiden der Schalter signifikant, wenn die Versorgungsspannung niedrig ist, beispielsweise um 12 V, wie bei einem Automobil-Elektrosystem zu finden wäre.
Um die Anzahl von Schaltern zu veerringern und dennoch eine effiziente Energieumwandlung aufrechtzuerhalten, wurde der so genannte 'C-Dump'-Schaltkreis entwickelt. Dieser nutzt n + 1 Schalter, wobei n die Anzahl der Phasen der Last ist, die vom Umrichter zu schalten sind. Eine Form des C-Dump-Schaltkreises ist in 2 dargestellt. Der Schaltkreis operiert mittels „Abladens" gespeicherter magnetischer Energie am Ende eines Schaltzyklus' in einen Kondensator (C₀ in 2), der bei einer Spannung über der Netz-Wechselspannungsverbindung arbeitet. Um diese Spannung zu regulieren, ist ein Abwärtswandler erforderlich (L₀/D₀/T₀ in 2), um die Energie der Gleichspannungs-Verbindung zurückzuführen. Es ist zu bemerken, dass es, obwohl der C-Dump-Schaltkreis selbst eine größere Verringerung in der Komponentenzahl als der 2-Schalter-Pro-Phasen-Umrichter realisiert, immer noch eine Induktivitäts/Dioden/Schalter-Anordnung gibt, die nichts zur Motorschalt-Funktion beiträgt aber wesentlich ist für den Schaltkreis-Betrieb als die Einrichtung zum Zurückführen der elektrischen Energie zurück zur Versorgung.
Der C-Dump-Umrichter-Schaltkreis und andere Umrichter-Topologien sind im Dokument „A Modified C-Dump Converter for Variable-Reluctance Machines" von A. Hava, V. Blasko und T. A. Lipo, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, Nr. 5, Sep./Okt. 1992 und im Dokument „SRM Inverter Topologies: A Comparative Evaluation" von S. Vukosavic & V. R. Stefanovic, IEEE Trans on Ind. Appl., Vol. 127, Nr. 6, 1991, Seiten 1034–47, beschrieben. Bei diesem letzteren Dokument offenbart 1(c) einen Buck-Boost-Schaltkreis, aufweisend n + 1 Schalter für einen n-phasigen Reluktanz-Motor.
Ebenso wie das Bereitstellen eines Schalters für jede Phase der Last und das Koppeln aller Phasen der Last zwischen dieselben Stromschienen weist der Schaltkreis einen zusätzlichen Schalter und eine zusätzliche Induktivität QA/L2 auf, die nicht Teil der Last ist. Der Schaltkreis ist in Magnetisierungs- und Entmagnetisierungs-Abschnitte getrennt. Der Schalter QA wird genutzt, um den Aufbau von Energie in der Induktivität L2 zu steuern, welche Energie dann nach Bedarf zu den Gleichstrom-Kopplungs-Kondensatoren übertragen wird. Es gibt keine Lehre von einer Schalteinrichtung pro Phase und keine Lehre des Nutzens von Energie aus einer Phase, um eine andere Phase zu versorgen.
EP-A-0178615 offenbart ein Energieversorgungssystem für induktive Elemente, bei dem über eine Stromschiene und eine Erdung eine Gleichspannung erzeugt wird. Mittels Umleitens eines Stroms in der Last zu einer dritten Schiene wirkt der Schaltkreis wie ein Gleichspannungs-Umrichter mit einem Ausgang zwischen den zwei Stromschienen. Wie oben werden, wenn der Schaltkreis bei einem Reluktanz-Motor angewendet wird, ein zusätzlicher Schalter und eine zusätzliche Induktivität verwendet, um die Spannung der dritten Schiene zu steuern.
Bei einer mehrphasigen geschalteten Reluktanz-Maschine für einen in Massen hergestellten Artikel, wie beispielsweise eine Waschmaschine, sind die Kosten der Schalteinrichtungen signifikant. Daher können, wenn irgendein zusätzliches Einsparen in der Komponentenzahl im Umrichter-Schaltkreis realisiert werden kann, signifikant Kosten- und Platzvorteile erlangt werden.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Umrichter-Schaltkreis zu schaffen, der nur einen Schalter für jede der Phasen einer induktiven Last hat.
Die vorliegende Erfindung ist im beigefügten unabhängigen Anspruch definiert. Einige bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen vorgetragen.
Bei einer Form der Erfindung ist ein Umrichter-Schaltkreis für eine n-phasige induktive Last vorgesehen, der eine erste, eine zweite und eine dritte elektrische Verbindung, eine zwischen der ersten und der zweiten Verbindung gekoppelte erste Spannungsquelle, eine zwischen der ersten und der dritten Verbindung gekoppelte zweite Spannungsquelle, erste Schalteinrichtungen, die zwischen einem Leit- und einem Nichtleit-Zustand geschaltet werden können und mit einer jeweiligen von m (n > m ≥ 1 und m/(n – m) ≥ 2) der Phasen der Last in Reihe geschaltet sind, welche ersten Schalteinrichtungen und gekoppelten Phasen der Last zwischen der ersten und der zweiten Verbindung geschaltet sind, wobei eine erste Diode zwischen einer jeweiligen der m Wicklungen und der zweiten Spannungsquelle gekoppelt ist, sodass ein Rückführschaltkreis für den Strom in der jeweiligen der m Wicklungen gebildet ist, wenn die jeweiligen ersten Schalteinrichtungen geöffnet sind, zweite Schalteinrichtungen, die zwischen einem Leit- und einem Nichtleit-Zustand geschaltet werden können und mit der oder jeder der n – m Phasen der Last in Reihe geschaltet sind, welche zweiten Schalteinrichtungen und gekoppelten Phasen der Last zwischen der ersten und der dritten Verbindung gekoppelt sind, sowie eine so zwischen der oder jeder der n – m Wicklungen und der ersten Spannungsquelle gekoppelte zweite Diode aufweist, dass ein Rückführschaltkreis für den Strom in der oder jeder der n – m Wicklungen gebildet ist, wenn die oder jede zweite Schalteinrichtung geöffnet ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die n Phasen gemeinsam mit einer ersten Verbindung elektrisch gekoppelt. Die m Phasen sind mit einer zweiten Verbindung elektrisch gekoppelt, und die n – m Phasen sind mit einer dritten Verbindung gekoppelt. Bei dieser Anordnung ist die erste Energiequelle über die erste und die zweite Verbindung geschaltet, und die zweite Energiequelle ist über die erste und die dritte Verbindung geschaltet.
Im Wesentlichen nutzt die Erfindung die zurückgeführte (und gespeicherte) Energie von einer Gruppe der Phasen als eine Quelle der Energie für die verbleibende(n) Phase(n).
Die Erfindung ist insbesondere für eine vierphasige Last (oder ein ganzzahliges Vielfaches von 4 Phasen) geeignet. Beispielsweise findet man den vierphasigen geschalteten Reluktanz-Motor typischerweise so, dass er beim C-Dump-Schaltkreis des Standes der Technik auf der Basis eines 3 : 1-Verhältnisses von in der Phase einer Last genutzten Energie zu der, die dem Kondensator zurückgeführt wird, wirkt. Daher kann die Anwendung der Erfindung, um eine vierte der Phasen mit der zurückgeführten Energie zu versorgen, eine Vorrichtung im Gleichgewicht bieten. Der Schaltkreis ist jedoch ebenso leicht auf 5- und 6-phasige Systeme anwendbar.
Es ist zu bemerken, dass der Umrichter-Schaltkreis der Erfindung bei sowohl energieverbrauchenden als auch energieerzeugenden Anwendungen verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Schaltkreis mit einer geschalteten Reluktanz-Maschine verwendet werden, die entweder als ein Motor oder ein Generator benutzt wird.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf einen geschalteten Reluktanz-Antrieb, der den Umrichter-Schaltkreis der Erfindung enthält.
Die Erfindung kann in verschiedenen Wegen in die Praxis umgesetzt werden, wobei einige von ihnen nun im Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer geschalteten Reluktanz-Maschine und eines Umrichter-Schaltkreises des Standes der Technik ist;
2 ein Schaltplan eines herkömmlichen C-Dump-Umrichter-Schaltkreises für eine n-phasige geschaltete Reluktanz-Maschine ist;
3 ein schematisches Blockdiagramm eines geschalteten Reluktanz-Antriebssystems ist, das einen erfindungsgemäßen Umrichter-Schaltkreis enthält;
4 ein Schaltplan eines erfindungsgemäßen Umrichter-Schaltkreises ist;
5 ein Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, eingerichtet für einen geschalteten Reluktanz-Generator;
6 ein Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, ebenfalls eingerichtet für einen geschalteten Reluktanz-Generator; und
7 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, eingerichtet für einen geschalteten Reluktanz-Motor.
3 zeigt allgemein einen geschalteten Reluktanz-Antrieb, der einen mit einer Rotorwelle gekuppelten n-phasigen (in diesem Fall 4) geschalteten Reluktanz-Motor 10 aufweist, der einen Rotor-Positions-Messaufnehmer (RPT) 12 aufweist. Die Ausgabe des RPT 12 ist eine Kennzeichnung der Position des Rotors in Bezug auf den Stator des Motors 10. Diese Ausgabe wird als ein einem Steuerschaltkreis 16 zugeführtes Rückkopplungssignal verwendet der die Betätigung eines Umrichter-Schaltkreises 18 regelt, der gekoppelt ist, um den Strom in den Wicklungen des Motors 10 zu regeln.
Der Umrichter-Schaltkreis gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 4 ausführlicher gezeigt. Er weist eine erste und eine zweite Stromschiene (in diesem Fall eine Positiv- und eine Negativ-Stromschiene) 20/22 auf, die Verbindungen für die gemeinsame Verbindung von m (in diesem Fall 3) der vier Phasenwicklungen A/B/C des geschalteten Reluktanz-Motors 10 bilden, jede mit einem Leistungsschalter TA/TB/TC in Reihe geschaltet. Eine erste Quelle 24 elektrischer Gleichspannungsenergie ist ebenfalls über die Stromschiene 20 und 22 parallel zu den Wicklungs/Schalterpaaren der Phasen A, B und C geschaltet. Die Quelle ist typischerweise eine Batterie aus zumindest einer elektrischen Zelle oder eine Quelle gleichgerichteter und geglätteter Wechselspannung.
Eine zweite Energiequelle, in diesem Fall ein Speicherkondensator 26, ist zwischen der ersten Stromschiene 20 und einer zusätzlichen, dritten Stromschiene 28 gekoppelt. Die verbleibenden n – m (in diesem Fall die vierte) der vier Phasenwicklungen D ist mit einem zusätzlichen Leistungsschalter TD so in Reihe geschaltet, dass die Wicklung zwischen der ersten Stromschiene 20 und der dritten Stromschiene 28 direkt gekoppelt ist, wenn sich TD in dessen Leit-Zustand befindet.
Eine Rückführ-Diode 30 ist geschaltet, um von zwischen der jeweiligen Phasenwicklung A/B/C und deren in Reihe geschalteten Leistungsschalter TA/TB/TC zur dritten Stromschiene 28 durchzuleiten. Eine zusätzliche Rückführ-Diode 32 ist so geschaltet, dass sie von der zweiten Stromschiene 22 zu zwischen der vierten Phasenwicklung D und deren zugeordneten Leistungsschalter TD durchleitet.
Im Wesentlichen werden die Phasenwicklungen gemäß bekannten Techniken der geschalteten Reluktanz-Motor-Steuerung gemäß der Bewegung des Rotors in Reihenfolge erregt, wie mittels des RPT 12 gekennzeichnet. Bei einem geeigneten Winkel der Rotor-Pole in Bezug auf die Stator-Pole wird der Schalter TA geschlossen, und die Wicklung der Phase A (zum Beispiel) wird erregt, während sich die Induktivität der Phase erhöht. Beim Öffnen des Schalters TA bewirkt die Induktivität der Wicklung, dass ein kontinuierlicher Strom durch die zugeordnete Diode 30 zur dritten Stromschiene 28 fließt, wo er den Kondensator 26 lädt. Diese Aktion entmagnetisiert die Wicklung der Phase A und wandelt gespeicherte Magnetfeld-Energie in elektrische Energie im Kondensator 26 um. Während der jeweilige der den Phasen A, B und C zugeordnete Schalter T in zeitlicher Reihenfolge eingeschaltet und nachfolgend ausgeschaltet wird, um die Rotation des Rotors in Bezug auf den Stator zu fördern, wird die zurückgeführte Energie von der jeweiligen Phase zum Kondensator 26 übertragen.
Es ist zu bemerken, dass ein Bestandteil der zeitlichen Schaltreihenfolge für einen kompletten Umlauf des Rotors in Bezug auf den Stator eine ähnliche Betätigung des der Phasenwicklung D zugeordneten Schalters TD umfasst. Das Einschalten dieses Schalters TD bewirkt, dass der Kondensator 26 mittels der Wicklung in der Phase D entladen wird. Wird wiederum dieser Schalter TD geöffnet, bewirkt die Induktivität der Wicklung der Phase D, dass der Strom über die Gleichspannungsquelle 24 und die Diode 32 zurückgeführt wird, während der Strom abklingt. Daher wird die von den Phasenwicklungen A/B/C zum Kondensator 26 zurückgeführte Energie nützlicherweise ausgenutzt, um die Phasenwicklung D zu erregen.
Die Erfindung ist insbesondere für eine vierphasige Maschine geeignet, da festgestellt wurde, dass das ungefähre Verhältnis der mittels einer der Wicklungen in mechanische Arbeit umgewandelten Energie zu der dem Kondensator 26 zurückgeführten bei einem typischen Steuergerät für einen Reluktanz-Motor im Bereich von 3 : 1 liegt, was angenehmerweise das Verhältnis des zugeführten zum zurückgeführten Strom in den Phasen A/B/C bzw. der Phase D ist.
Im Allgemeinen ist die Erfindung auf einen n-phasigen Motor (n > 1) anwendbar, bei dem m-Phasen (n > m ≥ 1 und m/(n – m) ≥ 2) mithilfe von m Schaltern mit der Gleichspannungs-Energieversorgung direkt gekoppelt sind, und die n – m verbleibende(n) Phase oder Phasen ist/sind jeweils mit einer dritten Stromschiene ebenfalls mithilfe eines einzigen Schalters gekoppelt.
Die Ladung im Kondensator 26 ist innerhalb akzeptabler oberer und unterer Grenzen zu halten. Diese Grenzen hängen von der Gestaltung des Motors und des Umrichters sowie dem Grad der Toleranz des Antriebs zur Drehmomentausgabe-Welligkeit ab. Es wurde festgestellt, dass die Regelung der Einschalt- und Ausschalt-Winkel jedes der m-Schalter über die Entwurfswerte variiert werden kann, um die Menge der Ladung im Kondensator 26 zu steuern, ohne die Motorleistung nennenswert negativ zu beeinflussen. Beispielsweise kann ein geschalteter Reluktanz-Motor basierend auf der Maschine von 1, die derart gestaltet ist, dass sie ein Drehmoment von 0,25 Nm bei 4000 U/min entwickelt, einen Winkel-Rotorpol-Abstand von 21° aufweisen. Typischerweise beträgt der Leit-Winkel bei 4000 U/min 16°, der unter Verwenden herkömmlichen Schaltens bei 31° vor der vollständigen Ausrichtung der Rotor- und Stator-Pole begonnen wird und bei 15° vor der vollständigen Ausrichtung abgestellt wird. Es wurde festgestellt, dass ein Schalten der gleichen Maschine als ein Motor, um die gleiche Drehmomentenausgabe bei 4000 U/min zu erlangen, es möglich ist, die Einschalt- und Ausschalt-Winkel um 20° zu variieren, um die Ladung im Kondensator gemäß dem Verhältnis der von den Phasenwicklungen A/B/C absorbierten Energie und der zum Kondensator weitergeleiteten Energie einzustellen.
Wird während des Betriebs des Antriebs festgestellt, dass sich die Spannung V_c erhöht, kennzeichnet dies, dass die von der Phase D absorbierte Energie niedriger als die von den Phasen A, B und C zum Kondensator 26 zurückgeführte Energie ist. Die Erregung der Maschine kann eingestellt werden, um die von jeder Phase zurückgeführte Energie zu variieren, und dies bringt die Spannung V_c zurück auf den erwünschten Pegel. Fällt die Spannung V_c andererseits während des Betriebs, kann die Erregung der Phase geändert werden, um mehr Strom zum Kondensator zu liefern und daher die Spannung zu erhöhen.
Eine alternative Strategie ist zu gewährleisten, dass mehr Energie zu V_c zugeführt wird als für die Phase D während des Betriebszyklus' verwendet wird. Die Kondensatorspannung kann dann mittels Erregens der Phase D zu einem Zeitpunkt geregelt werden, zu dem dessen Induktivität nahezu minimal ist. Der an diesem Punkt des Zyklus' in der Phase fließende Strom wird ein geringes oder kein Drehmoment erzeugen, wird allerdings dazu dienen, die Spannung im Kondensator zu verringern, die Energie effektiv zur Quelle 24 zurückführend. Diese Strategie hat den Vorteil, dass sie keine Einstellung der Erregung der Phasen Zyklus für Zyklus erfordert, wobei die Energieübertragung mittels eines separaten Logikteils im Steuerschaltkreis geregelt wird.
Es wird vom Fachmann bemerkt werden, dass das Verhältnis der umgewandelten zur zurückgeführten Energie bei einer SR-Maschine mit der Geschwindigkeit und dahingehend variiert, ob die Maschine im Choppermodus oder in einem Einzelimpuls-Modus betrieben wird. (Diese Betriebsmodi sind im Dokument von Stephenson et al beschrieben, auf welches oben Bezug genommen wurde). Die zurückgeführte Energie ist bei niedrigen Geschwindigkeiten und im Choppermodus am Größten. Es ist daher möglich, eine Strategie des Beibehaltens des Choppermodus' bis zu einer höheren Geschwindigkeit anzuwenden, als sie sonst angewendet werden würde, um die Menge der zurückgeführten Energie zu erhöhen. Alternativ ist es bei jeder Geschwindigkeit möglich, einen Chopper-Burst am Anfang und/oder am Ende einer Einzelimpuls-Wellenform einzuführen, um die zurückgeführte Energie zu erhöhen.
Ein ähnlicher Schaltkreis kann konstruiert werden, um die Ausgabe einer geschalteten Reluktanz-Maschine zu regeln, die eingerichtet ist, als ein Generator zu arbeiten. Eine Form ist in 5 gezeigt. Die Dioden- und Schalter-Anordnungen sind in Bezug auf die Stromschienen die gleichen wie die in 4, und gleiche Bezugszeichen wurden verwendet, wo dies geeignet ist. Bei dieser Anordnung jedoch ersetzen die Spannungsquelle 24' und der Kondensator 26' einander, sodass der Kondensator zur ersten Energiequelle wird, die zwischen der ersten und zweiten Schiene gekoppelt ist, und die Batterie wird zur zweiten Energiequelle, die zwischen der dritten und ersten Schiene gekoppelt ist.
Es wird vom Fachmann bemerkt werden, dass eine Bewegung des Rotors im Generator-Modus und eine zeitlich gesteuerte, sequenzielle Betätigung der Schalter in den Wicklungen der geschalteten Reluktanz-Maschine Ströme erzeugen. Nimmt man Phase A (zum Beispiel), bewirkt das Schließen deren Schalters TA, dass ein Erregerstrom aus dem Kondensator 26' durch die Wicklung fließt. Das Öffnen des Schalters danach in Übereinstimmung mit der Generator-Position eines Rotor-Pols in Bezug auf einen Stator-Pol bewirkt, dass der in der Wicklung der Phase A erzeugte Strom durch deren Diode 30 zur dritten Stromschiene 28 und zur Batterie 24' fließt, die dadurch mittels der Ausgabe der Phase A der Maschine geladen wird. Der Schaltkreis zwischen der Batterie und der Phase A-Wicklung ist mit der ersten Stromschiene 20 vervollständigt. Die gleiche Betriebsweise findet auf die Phasen B und C Anwendung.
An dem Punkt im Rotor-Zyklus, an dem die Rotor- und Stator-Pole für den Generator-Zyklus der Phase D positioniert sind, wird der mit der Wicklung der Phase D gekoppelte Schalter TD geschlossen, sodass von der Spannungsquelle 24' ein Erregerstrom entnommen wird und die Wicklung D durchläuft. Wird der Schalter geöffnet, fließt der mittels der Wicklung erzeugte Strom entlang der ersten Stromschiene 20 durch den Kondensator 26' und die Diode 32 für die Phase D.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der in den Phasen A/B/C erzeugte Strom genutzt, um die Spannungsquelle 24' zu laden, und der mittels der Phase D erzeugte Strom wird genutzt, um den Kondensator 26' zu laden, der dann den Erregerstrom für die Phasen A/B/C bereitstellen kann. Es ist zu sehen, dass der von der Wicklung der Phase D benötigte Erregerstrom von der Spannungsquelle 24' selbst abgeleitet wird.
6 zeigt eine alternative Form eines erfindungsgemäßen Generator-Umrichters. Wiederum wurden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jede der Phasen A/B/C zwischen der ersten und der dritten Stromschiene 20/28 mit einem entsprechenden Schalter TA/TB/TC in Reihe geschaltet. Die Diode 30' für die jeweilige der Phasen A/B/C ist so geschaltet, dass sie von der zweiten Stromschiene 22 zu zwischen ihrem entsprechenden Schalter TA/TB/TC und ihrer entsprechenden Wicklung durchleitet.
Die Wicklung der Phase D und deren Schalter TD sind zwischen der ersten und der zweiten Stromschiene 20/22 in Reihe geschaltet. Die der Phase D zugeordnete Diode 32' ist so geschaltet, dass sie von zwischen dem Schalter TD und der Wicklung der Phase D zur dritten Stromschiene 28 durchleitet.
Die Spannungsquelle 24 ist zwischen der ersten und der zweiten Stromschiene 20/22 gekoppelt, und der Kondensator 26 ist zwischen der ersten und der dritten Stromschiene 20/28 gekoppelt.
Im Betrieb im Generatormodus und beim Nehmen der Phase A zum Zwecke der Darstellung bewirkt das Schließen des Schalters TA gemäß der zeitlichen Steuerung und der Aneinanderreihung, wie oben beschrieben, dass durch die Wicklung der Phase A ein Erregerstrom fließt, während sich der Kondensator 26 entlädt. Danach wird durch das Öffnen des Schalters für die Phase A während der Generator-Periode des Rotor-Zyklus' ein Stromfluss von der Wicklung der Phase A entlang der ersten Stromschiene 20 erzeugt, sodass die Spannungsquelle 24 geladen wird, wobei der Schaltkreis mit der Wicklung um die Diode 30' vervollständigt ist, die zwischen der Wicklung der Phase A und dem geöffneten Schalter TA gekoppelt ist. Hinsichtlich der Phasen B und C tritt im Rotor-Zyklus eine gleichartige Folge von Ereignissen auf.
Die Phase D erfordert die gleiche allgemeine zeitliche Steuerung. Das Schließen des Schalters TD der Phase D erlaubt, dass von der Spannungsquelle 24 durch die Phase D-Wicklung ein Erregerstrom fließt. Danach wird durch das Öffnen des Schalters TD der in der Wicklung erzeugte Strom durch dessen Diode abgeleitet, sodass der Kondensator über die dritte Stromschiene 28 geladen wird.
Es ist ferner zu bemerken, dass dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung als ein Energie-Umrichter für einen Motor eingerichtet sein kann, indem die Spannungsquelle (Batterie) und der Kondensator vertauscht sind. Diese Anordnung ist in 7 dargestellt. Gleiche Bezugszeichen wurden verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen. Wiederum nehmend die Phase A wird die Wicklung A, wenn der Schalter TA gemäß der zeitlichen Steuerung, auf die in Zusammenhang mit 4 Bezug genommen wird, geschlossen wird, mit Strom von der Spannungsquelle 24' versorgt. Danach bewirkt das Öffnen des Schalters TA, dass Strom zurückgeführt wird, sodass der Kondensator 26' geladen wird. Das gleiche gilt für Phasen B und C. Wird der Schalter für Phase D geschlossen, wird die Wicklung D mit Strom vom Kondensator 26' versorgt. Durch das Öffnen des Schalters TD wird der Strom von der Wicklung zur Spannungsquelle 24' abgeleitet.
Bei jedem dieser in 4–7 gezeigten Ausführungsbeispiele weisen die Batterie und der Kondensator beide einen Lade-/Entlade-Zyklus auf. Der Unterschied zwischen den Zyklen ist die Aufgabe, der sie unterzogen sind. Im Motor-Modus wird die Batterie mittels der Phasen A/B/C entladen und ausschließlich mittels der Phase D geladen. Der Kondensator wird mittels der Phasen A/B/C geladen und ausschließlich mittels der Phase D entladen. Umgekehrt wird im Generator-Modus die Batterie mittels der Phasen A/B/C geladen und ausschließlich mittels der Phase D entladen. Der Kondensator wird mittels der Phasen A/B/C entladen und ausschließlich mittels der Phase D geladen. Daher sind die Aufgaben der Batterie und des Kondensators gleich, im jeweiligen Modus allerdings für unterschiedliche Zwecke. Daher ist es möglich, sowohl die Batterie als auch den Kondensator als Energiequellen zu betrachten, die während des Rotor-Zyklus' sowohl elektrische Energie zuführen als auch absorbieren.
Es wird vom Fachmann erkannt werden, dass das Ausführungsbeispiel von 4 drei Schalter mit Low-Side-Treibern nutzt, wohingegen beispielsweise 6 drei High-Side-Treiber erfordert. Der Fachmann wird ebenso bemerken, dass die Schalter transistorbasiert sein können, beispielsweise Bipolar-Transistoren (wie isolierte Gate-Bipolar-Transistoren), Feldeffekt-Transistoren (wie beispielsweise Metalloxid-Silizium-Feldeffekt-Transistoren) oder irgendeine andere geeignete schnellschaltende Einrichtung, die in der Lage ist, mit Leistungsanforderungen einer bestimmten Anwendung umzugehen.
Die Erfindung wurde insbesondere unter Bezugnahme auf eine vierphasige induktive Last beschrieben. Jedoch ist zu bemerken, dass andere mehrphasige Lasten ebenso mithilfe des Umrichters der Erfindung geschaltet werden können. Beispielsweise kann eine achtphasige induktive Last 6 Phasen aufweisen, die über eine ladbare Energiequelle gekoppelt sind, und 2 Phasen aufweisen, die über die andere ladbare Energiequelle gekoppelt sind. Andere Anzahlen von Phasen, wie beispielsweise 6 Phasen, können ebenso erfindungsgemäß geschaltet werden. Ferner könnten zwei oder mehrere separate Umrichter-Schaltkreise verwendet werden, um dieselbe mehrphasige Last zu schalten. Daher kann, wenn es kosteneffektiv wäre, einen Umrichter für 4 Phasen herzustellen, eine achtphasige induktive Last unter Verwenden zweier separater Umrichter-Schaltkreise geschaltet werden, die jeweils mit entsprechenden 4 der Phasen gekoppelt sind.
Während die Erfindung vorstehend in Verbindung mit den darstellhaften Ausführungsbeispielen erläutert worden ist, werden Fachleute erkennen, dass viele Variationen durchgeführt werden können, ohne sich von der vorliegenden Erfindung zu entfernen. Beispielsweise ist die Erfindung gleichermaßen auf Linear-Reluktanz-Maschinen anwendbar. Das bewegliche Teil einer Linear-Reluktanz-Maschine wird oft als ein Rotor bezeichnet. Der Begriff „Rotor", wie an dieser Stelle verwendet, ist dazu bestimmt, auch das bewegliche Teil solcher Linear-Maschinen zu umfassen. Die vorliegende Erfindung ist darauf ausgerichtet, nur durch den Geist und den Umfang der folgenden Ansprüche eingeschränkt zu werden.

Claims

Umrichter-Schaltkreis für eine n-phasige induktive elektrische Last, n > 1, aufweisend eine erste Energiequelle (24), erste Schalteinrichtungen (TA, TB, TC), jeweils eingerichtet zum Steuern der Erregung einer entsprechenden der Phasen (A, B, C) der Last mittels der ersten Energiequelle, eine zweite Energiequelle (26) und zweite Schalteinrichtungen (TD), dadurch gekennzeichnet, dass es m erste Schalteinrichtungen n > m ≥ 1 und n/(n – m) ≥ 2 gibt, die jeweils eingerichtet sind zum Steuern der Erregung einer entsprechenden einer ersten Gruppe von m Phasen, und dass es n – m zweite Schalteinrichtungen gibt, die jeweils eingerichtet zum Steuern der Erregung einer entsprechenden einer zweiten Gruppe von n – m Phasen (D) mittels der zweiten Energiequelle mittels Schließens der zweiten Schalteinrichtungen und zum Übertragen von Energie in deren zugehörigen Phase der Last zur ersten Energiequelle, wenn die zweiten Schalteinrichtungen geöffnet sind.
Schaltkreis gemäß Anspruch 1, bei dem jede, die ersten und die zweiten Schalteinrichtungen, eine Schalteinheit (TA, TB, TC, TD) aufweisen, die mit ihrer zugeordneten Phase der Last in Reihe geschaltet ist.
Schaltkreis gemäß Anspruch 2, ferner aufweisend erste, zweite und dritte elektrische Verbindungen (20, 22, 28), bei denen das oder jedes der n – m in Reihe geschalteten Paare der Schalteinheit der zweiten Schalteinrichtungen und der zugeordneten Phase zwischen der ersten (20) und der dritten (28) elektrischen Verbindung geschaltet sind, und wobei jedes der m in Reihe geschalteten Paare der Schalteinheit der ersten Schalteinrichtungen und der zugeordneten Phase zwischen der ersten und der zweiten (22) elektrischen Verbindung geschaltet sind, und wobei die erste Energiequelle über die erste und die zweite elektrische Verbindung geschaltet ist.
Schaltkreis gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem die zweite Energiequelle über die erste und die dritte elektrische Verbindung geschaltet ist, und bei dem eine erste Diode (32') geschaltet ist, um von jeder der m Phasen zur zweiten Energiequelle durchzuleiten, wenn die zugeordneten ersten Schalteinrichtungen offen sind.
Schaltkreis gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem jede der n – m zweiten Schalteinrichtungen ferner eine zweite Diode (30') aufweist, die geschaltet ist, um von der ersten Energiequelle zur jeweiligen der n – m Phasen durchzuleiten, wenn die Schalteinheit für diese Phase geöffnet ist.
Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Energiequelle eine Batterie (24; 24') ist.
Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zweite Energiequelle ein Kondensator (26; 26') ist.
Umrichter-Schaltkreis gemäß Anspruch 1, aufweisend: eine erste, eine zweite und eine dritte elektrische Verbindung (20, 22, 28), wobei die erste Energiequelle zwischen der ersten und zweiten Verbindung geschaltet ist, und wobei die zweite Energiequelle zwischen der ersten und der dritten Verbindung gekoppelt ist, wobei die ersten Schalteinrichtungen mit einer jeweiligen der m Phasen der Last in Reihe geschaltet sind, welche ersten Schalteinrichtungen und m Phasen zwischen der ersten und der zweiten Verbindung geschaltet sind, und wobei die zweiten Schalteinrichtungen mit der oder jeder der n – m Phasen der Last in Reihe geschaltet sind, welche zweiten Schalteinrichtungen und n – m Phasen zwischen der ersten und der dritten Verbindung geschaltet sind; wobei der Schaltkreis ferner erste Dioden (32'), jeweils geschaltet zwischen der jeweiligen der m Phasen und der dritten Verbindung; und zumindest eine zweite Diode (30') aufweist, wobei die oder jede zweite Diode zwischen der oder jeder der n – m Phasen und der zweiten Verbindung geschaltet ist.
Schaltkreis gemäß Anspruch 8, bei dem: jede der n Phasen mit der ersten Verbindung direkt gekoppelt ist; wobei die ersten Schalteinrichtungen mit der zweiten Verbindung gekoppelt sind, wobei die zweiten Schalteinrichtungen mit der dritten Verbindung gekoppelt sind; wobei jede erste Diode geschaltet ist, um in Richtung der dritten Verbindung durchzuleiten; und wobei die oder jede zweite Diode geschaltet ist, um von der zweiten Verbindung durchzuleiten.
Schaltkreis gemäß Anspruch 8, bei dem: jede der n Phasen mit der ersten Verbindung direkt gekoppelt ist; wobei die ersten Schalteinrichtungen mit der zweiten Verbindung gekoppelt sind, wobei die zweiten Schalteinrichtungen mit der dritten Verbindung gekoppelt sind; wobei jede erste Diode geschaltet ist, um von der dritten Verbindung durchzuleiten; und wobei die oder jede zweite Diode geschaltet ist, um in Richtung der zweiten Verbindung durchzuleiten.
Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem n 4 beträgt und m 3 beträgt.
Geschalteter Reluktanz-Antrieb, aufweisend eine geschaltete Reluktanz-Maschine (10) mit einem Rotor, einem Stator und n Phasenwicklungen, n > 1, eine Einrichtung (12) zum Erzeugen eines Signals, das die Position des Rotors in Bezug auf den Stator kennzeichnet, einen Umrichter-Schaltkreis (18) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 sowie eine Steuereinrichtung (16) zum Betätigen der Schalteinrichtungen des Umrichter-Schaltkreises, die auf ein Anforderungssignal und das Signal reagiert, das die Rotor-Position kennzeichnet.
Geschalteter Reluktanz-Antrieb gemäß Anspruch 12, bei dem die Steuereinrichtung derart betreibbar ist, dass die Maschine als ein Motor genutzt wird.
Geschalteter Reluktanz-Antrieb gemäß Anspruch 12, bei dem die Steuereinrichtung derart betreibbar ist, dass die Maschine als ein Generator genutzt wird.