WO2005034333A1

WO2005034333A1 - Verfahren zum betreiben einer drehfeldmaschine und wechselrichter dafür

Info

Publication number: WO2005034333A1
Application number: PCT/EP2004/011048
Authority: WO
Inventors: Thomas Treichl; Andreas Szajek; Michael Hackner; Andreas Albrecht; Ulrich Herb; Hans-Georg Hornung
Original assignee: Sensor-Technik Wiedemann Gmbh; Agco Gmbh & Co. Ohg; Salwit Agrarenergie Gmbh; Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2003-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2005-04-14
Also published as: DE10346060A1

Abstract

Eine Sechs-Phasen-Drehfeldmaschine wird betrachtet als Kombination aus zwei Drei-Phasen-Drehfeldmaschinen. Die zwei Drehfeldmaschinen werden durch einen gemeinsamen Sechs-Phasen-Wechselrichter versorgt. Die Schalter (S11, S12, S21, ..., S32') des Wechselrichters werden durch eine Steuerschaltung (CTL) so angesteuert, dass sie zu verschiedenen Zeiten Strom aus dem Wechselrichter ziehen.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine und Wechselrichter dafür

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Drehfeldmaschine mit wenigstens vier Phasen mit Hilfe eines Wechselrichters und einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Wechselrichter. Sechs-Phasen-Drehfeldmaschinen und -Wechselrichter sind zwar bekannt, so z.B. aus US 6,472,845 B2 , ihre Verbreitung ist jedoch im Vergleich zu Drei-Phasen- Wechselrichtern und -Maschinen gering. Wechselrichter für den Betrieb einer Drehfeldmaschine sind herkömmlicherweise aufgebaut aus einer der Zahl der Phasen der Drehfeldmaschine entsprechenden Zahl von parallel zwischen einer positiven und einer negativen Klemme eines Gleichstrom-Zwischenkreises geschalteten Strängen, wobei jeder Strang zwei in Reihe angeordnete Schalter und an einem Punkt zwischen den zwei Schaltern eine Ausgangsklemme aufweist, die vorgesehen ist, um mit einer Phase der Drehfeldmaschine verbunden zu werden. Fig. 1 zeigt schematisch einen solchen Wechselrichter und eine Drehfeldmaschine mit jeweils drei Phasen. Die drei jeweils einer Phase entsprechenden Wicklungen der Maschine haben Anschlussklemmen Ul , U2, VI, V2, Wl, W2. Die Klemmen U2 , V2 , W2 sind zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet; VI ist mit Schaltern Sll, S12 eines ersten Strangs, Ul mit Schaltern S21, S22 eines zweiten Strangs und Wl mit Schaltern S31,. S32 eines dritten Strangs des Wechselrichters verbunden. Eine in der Figur nicht dargestellte Steuerschaltung des Wechselrichters öffnet und schließt die Schalter der einzelnen Stränge nach einem vorgegebenen zeitlichen Muster, um die einzel- nen Phasen der Drehfeldmaschine so zu bestromen, dass ein rotierendes magnetisches Feld in der Maschine erzeugt wird, welches eine Drehung eines Rotors antreibt. Bei einer Drei-Phasen-Maschine sind die an den einzelnen Klemmen Ul, VI, Wl bzw. Phasen anliegenden Antriebsspannungen ide- alerweise jeweils um eine Drittelperiode gegeneinander versetzte Sinusschwingungen. Ein üblicher Wechselrichter kann diese kontinuierlich veränderlichen Spannungswerte nicht ohne weiteres erzeugen; sie werden angenähert, indem die Steuerschaltung zyklisch mit einer Zyklusperiode arbeitet, die um ein Vielfaches kürzer als die Umdrehungsperiode des Feldes ist, und in jedem Zyklus die einzelnen Schalter des Wechselrichters mit einem Tastverhältnis öffnet bzw. schließt, das proportional zum momentan zu erzeugenden Spannungswert ist.

Das in der Drehfeldmaschine erzeugte magnetische Feld wird modellmäßig beschrieben mit Hilfe sogenannter Raumzeiger, Vektoren, deren Richtung die Drehphase des rotierenden Magnetfeldes angibt und deren Länge der Stärke des Magnetfeldes entspricht. Ein dreisträngiger Wechselrichter wie in Fig. 1 gezeigt kann acht verschiedene Schaltzustände, mit uO , ul, ..., u7 bezeichnet, einnehmen, denen jeweils ein Raumzeiger zugeordnet werden kann.

wobei die Werte 0 und 1 jeweils einen offenen bzw. einen geschlossenen Schalter bezeichnen. Die Schaltzustände der Schalter S12, S22, S32 sind jeweils entgegengesetzt zu denen der Schalter Sll, S21, S31. In den Schaltzuständen uO und u7 liegen alle Klemmen Ul , VI, Wl der Drehfeldmaschine auf gleichem Potential, und es fließt^'' kein Strom aus dem Zwischenkreis durch den Wechselrichter zur Maschine. Im Schaltzustand ul fließt ein Strom durch den Schalter Sll in die Klemme Ul , und zwei Ströme mit jeweils der halben Stromstärke fließen über die Klemmen VI, Wl und die Schalter S22, S32 aus der Maschine heraus. Die von den drei Wicklungen erzeugten Magnetfelder überlagern sich in der in Fig. 1 mit ul bezeichneten Richtung. Wenn die Schalter Sll, S21, S32 geöffnet sind, so fließen gleich starke Ströme in die Klemmen Ul, VI der Maschine hinein und die Summe dieser Ströme über die Klemme Wl wie- der hinaus, und die erzeugten Magnetfelder überlagern sich in der Richtung u2.

Es lässt sich leicht nachprüfen, dass den in der Tabelle mit ul bis u6 bezeichneten Schaltzuständen jeweils um 60° gegeneinander verdrehte Feldorientierungen in der Drehfeldmaschine entsprechen.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das die den Schaltzuständen ent- sprechenden Raumzeiger darstellt; die Raumzeiger uO und u7 sind von verschwindender Länge.

Um eine gleichmäßige Drehung der Maschine anzutreiben, muss der Wechselrichter kontinuierlich rotierende Raumzei- ger gleichbleibender Länge erzeugen. D.h., die Spitzen der Raumzeiger müssen sich auf einem Kreis wie in dem Diagramm der Fig. 2 mit K bezeichnet bewegen. Wenn man annimmt, dass die zu 1 angenommene Länge der Länge der Basis-Raumzeiger Ui bis u_e einer Bestromung der Maschine mit der dem betreffenden Raumzeiger zugeordneten Schalterstellung während eines kompletten Arbeitszyklus des Wechselrichters mit der Dauer T entspricht, so genügt zur Erzeugung eines kürzeren Raumzeigers, z.B. u'i = ru_x, 0 > r > 1, eine Zeitspanne rT innerhalb des Zyklus, und während der rest- liehen Zykluszeit (l-r)T nimmt der Wechselrichter einen der Schaltzustände u₀ oder u₇ an. Um einen Raumzeiger u' (t) zwischen zwei Basis-Raumzeigern, z.B. u_x und u₂, zu erzeugen, werden innerhalb eines Zyklus des Wechselrichters die den benachbarten Basis-Raumzeigern u_x, u₂ ent- sprechenden Schaltzustände jeweils während Zeitspannen eingestellt, die proportional zur Länge der Projektion von u' (t) auf den betreffenden Basis-Raumzeiger Ux bzw. u₂ ist . Ein exemplarisches Schaltmuster ist in Fig. 3 dargestellt. In dieser Figur zeigen, jeweils als Funktion der Zeit, die oberen drei Kurven die Schaltzustände der Schalter Sll bis S32, die mit IS11, IS21 bzw. IS31 bezeichneten Kurven die Stärken von durch die Schalter Sll, S21 bzw. S31 fließen- den Strömen, und Id die Stärke eines daraus resultierenden Zwischenkreisstroms . In einer ersten Phase I des Arbeitszyklus sind die Schalter Sll, S21, S31 offen und die anderen Schalter geschlos- sen, entsprechend dem Schaltzustand uO . Die Ströme JS11, IS21, IS31 sind 0, und infolgedessen ist auch der Zwi- schenkreisstrom Id 0.

In einer zweiten Phase II schließt Sll, es resultiert der Schaltzustand ul , und ein Strom mit einer durch die Konstruktion des Wechselrichters und der Drehfeldmaschine festgelegten Stromstärke I fließt durch den Schalter Sll und die Klemme Ul und verteilt sich auf die Klemme VI und den Schalter S22 bzw. die Klemme Wl und den Schalter S32. Der Zwischenkreisstrom Id ist gleich IS11.

In der darauf folgenden Phase III geht der Wechselrichter über in den Schaltzustand u2 , indem der Schalter S21 geöffnet und der Schalter S22 geschlossen wird. Nun sind die Klemmen Ul , VI parallel mit der positiven Klemme des Zwischenkreises verbunden, und die Summe der über sie in die Maschine hineingeflossenen Ströme fließt über die Klemme Wl heraus. Der in Phase II durch Sll geflossene Strom verteilt sich nun auf die Schalter Sll, S21, der Zwischen- .kreisstrom Id bleibt gleich.

In der anschließenden Phase IV sind alle mit der positiven Klemme des Zwischenkreises verbundenen Schalter Sll, S21, S31 geschlossen, und S12, S22, S32 sind offen, so dass der Zwischenkreis effektiv offen ist. Ströme durch die Schalter Sll, S21, S31 können nur auf Selbstinduktion der Drehfeldmaschine zurückgehen und werden hier nicht betrachtet; der Zwischenkreisstrom Id verschwindet.

Der Ablauf wiederholt sich in umgekehrter Reihenfolge in den Phasen V bis VIII.

Wie man sieht, wechseln sich bei dem hier betrachteten Schaltmuster im Laufe jedes Zyklus zwei Perioden, in denen ein Zwischenkreisstrom fließt, mit Perioden ohne Zwischen- kreisstromfluss ab. Dieser schwankende Strombedarf bewirkt ein Schwanken der Zwischenkreisspannung. Es gibt daher Phasen im Betriebszyklus des Wechselrichters, in denen weniger Zwischenkreisspannung zur Verfügung steht als in an- deren, während die Dauern der einzelnen Phasen unter der Annahme einer gleichbleibenden Zwischenkreisspannung berechnet sind. Es kommt daher zu Abweichungen zwischen einem erwarteten und einem tatsächlich in der Drehfeldmaschine erzeugten Raumzeiger, wodurch der Gleichlauf des Motors beeinträchtigt wird. Um diese SpannungsSchwankungen zu begrenzen, ist es üblich, einen Glättkondensator zu den Strängen des Wechselrichters parallel zu schalten. Die für diesen Kondensator benötigte Kapazität ist um so größer, je länger die Zyk- lusperiode des Wechselrichters ist. Um den Kondensator klein machen zu können, ist man infolgedessen im Allgemeinen bestrebt, die Zyklusperiode des Wechselrichters so kurz wie möglich zu machen. Mit jedem Umschalten treten jedoch Verluste an den Schaltern des Wechselrichters auf. Infolgedessen haben diese eine Verlustleistung, die mit der Zyklusfrequenz des Wechselrichters ansteigt und eine obere Grenze der Zyklusfrequenz bei gegenwärtigen IGBT- oder MOSFET-Leistungsschaltern von einigen kHz vorgibt. Für den Betrieb leistungsstarker Maschinen werden daher nach wie vor Glättkondensatoren mit großer Kapazität und hoher Spannungsfestigkeit benötigt, deren Kosten beträchtlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters und einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Wechselrichter anzugeben, die es erlauben, die Schwankungen des Zwischenkreisstroms bzw. der Zwischenkreisspannung gering zu halten, und es dadurch möglich machen, kleinere und preiswertere Glättkondensato- ren zu verwenden.

Die Aufgabe wird zum einen gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Schritte a) des Festlegens eines in der Drehfeldmaschine zu erzeugenden Raumzeigers und b) des Festlegens einer Schaltsequenz für eine erste Gruppe von i Strängen (i > 2) des Wechselrichters, die jeweils sich zu einer ersten i-Phasen-Maschine ergänzen, können nach einem be- liebigen für i-Phasen-Maschinen bekannten Verfahren durchgeführt werden. Auch das Festlegen einer Schaltsequenz für Stränge, die die weiteren j Phasen der n-Phasen-Maschine (mit j = 2, 3, ..., n-i) versorgen, die sich zu einer zweiten j -Phasen-Maschine ergänzen, kann in an sich be- kannter Weise erfolgen. Dabei können gleiche oder unterschiedliche Verfahren zum Festlegen der Schaltsequenzen bei der i-Phasen- und der j -Phasen-Maschine zum Einsatz kommen. Durch eine geeignete Auswahl eines Phasenversatzes zwischen den zwei Schaltsequenzen wird erreicht, dass die zwei Gruppen von Strängen zu jeweils unterschiedlichen Zeiten den Zwischenkreis belasten, so dass der Gleichan- teil des aus dem Zwischenkreis gezogenen Stroms größer und der oszillierende Anteil kleiner gemacht werden kann als bei einer einzelnen Maschine mit i bzw. j Phasen.

Im einfachsten Fall ist i + j = n; d.h. die i-Phasen- und die j -Phasen-Maschine ergänzen sich zur vollständigen n- Phasen-Drehfeldmaschine . Es ist aber auch möglich, von i- Phasen- und j -Phasen-Maschine wenigstens eine, sagen wir die j -Phasen-Maschine, weiter aufzuteilen, so dass insge- samt drei oder gar mehr Gruppen bzw. den Gruppen entsprechende Maschinen erhalten werden, und für diese jeweils Schaltsequenzen festzulegen. Auch hier können Phasenversätze zwischen den Gruppen so festgelegt werden, dass der Gleichanteil des Zwischenstroms groß und der Wechselanteil niedrig wird.

Wenn die Leistung der n-Phasen-Drehfeldmaschine gering ist und die Zeitspanne innerhalb jedes Wechselrichterzyklus, in der eine der Gruppen von Strängen Strom zieht, kürzer als ein m-tel der Zyklusperiode ist (wenn m die Zahl der

Gruppen ist) , so ist es im Allgemeinen möglich, die Phasenverschiebung zwischen den Gruppen so zu wählen, dass die Zeiten, in denen sie Strom ziehen, nicht überlappen, d.h., dass im Laufe eines Arbeitszyklus des Wechselrich- ters jederzeit entweder nur eine der Gruppen oder keine Gruppe Strom zieht.

Wenn umgekehrt die benötigte Leistung der Drehfeldmaschine groß ist, so dass jede der m Gruppen während mehr als ei- nem m-tel der Zyklusperiode Strom zieht, so kann im Allgemeinen die Phasenverschiebung so gelegt werden, dass immer dann, wenn eine der Gruppen keinen Strom zieht, wenigstens eine der anderen Gruppen Strom zieht, so dass der Zwischenkreisstrom zu keiner Zeit vollständig verschwindet. In beiden Fällen reduziert sich der oszillierende Anteil des Zwischenkreisstroms erheblich im Vergleich zu einer für gleiche Leistungen ausgelegten herkömmlichen i- oder j -Phasen-Maschine, insbesondere wenn i und j kleine Werte wie etwa 2 oder 3 haben.

Wenn die Schaltsequenzen jeder Gruppe pro Zyklus nur ein Zeitintervall aufweisen, in dem die Gruppe Strom aus dem Zwischenkreis zieht, so ist eine optimale Phasenverschiebung zwischen den Gruppen durch eine Phasendifferenz zwi- sehen den zwei Schaltsequenzen von 360°, dividiert durch die Zahl der Gruppen, gewährleistet. Wenn die Schaltse- quenzen jeder Gruppe pro Zyklus zwei Zeitintervalle aufweisen, denen die Gruppe einen Strom aus dem Zwischenkreis zieht, kann die Phasendifferenz zwischen den Schaltsequenzen der Gruppen zweckmäßigerweise auf 180°, dividiert durch die Zahl der Gruppen, gelegt werden.

Die Aufgabe wird zum anderen gelöst durch einen Wechselrichter mit n aus einem Gleichstromzwischenkreis gespeisten Strängen (n > 4) , einem zu den Strängen parallelen Glättkondensator und einer Steuerschaltung zum Ansteuern von Schaltern der n Stränge, bei dem die Steuerschaltung eingerichtet ist, ein Verfahren wie oben definiert auszuführen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1, bereits behandelt, ein Blockdiagramm einer Drei- Phasen-Drehfeldmaschine und eines Wechselrichters mit drei Strängen;

Fig. 2, bereits behandelt, in einer Drehfeldmaschine zu erzeugende Raumzeiger;

Fig. 3, bereits behandelt, eine Schaltsequenz des Drei- Phasen-Wechselrichters aus Fig. 1;

Fig. 4A eine Drehfeldmaschine und einen Wechselrichter mit jeweils sechs Phasen;

Figs. 4 B, C alternative Sechs-Phasen-Drehfeldmaschinen;

Fig. 5A ein Zeitdiagramm einer nicht phasenverschobenen Schaltsequenz für einen sechsphasigen Wechselrichter;

Fig. 5B, C Zeitdiagramme von erfindungsgemäßen phasenverschobenen SchaltSequenzen,- Fig. 6A eine phasenverschobene Schaltsequenz für den Sechs-Phasen-Wechselrichter bei niedriger Leistung;

Fig. 6B eine phasenverschobene Schaltsequenz für den Sechs-Phasen-Wechselrichter bei hoher Leistung; Fig. 7 eine Schnittsequenz, die nach für die zwei sich zu der Sechs-Phasen-Maschine ergänzenden Drei-Phasen- Maschinen unterschiedlichen Verfahren festgelegt ist;

Fig. 8 eine Drehfeldmaschine und einen Wechselrichter mit jeweils vier Phasen;

Fig. 9 in der Vier-Phasen-Maschine der Fig. 8 zu erzeugende Raumzeiger, analog der Fig. 2;

Fig. 10 ein Zeitdiagramm einer nicht phasenverschobenen Schaltsequenz für den vierphasigen Wechselrichter aus Fig, 8; Fig. 11 ein Zeitdiagramm einer erfindungsgemäßen phasenverschobenen Schaltsequenz; und

Fig. 12 eine Veranschaulichung der Wirkungsweise der Erfindung bei Aufteilung einer Drehfeldmaschine in drei je- weils phasenverschoben angesteuerte Teilmaschinen.

Fig. 4A zeigt ein Blockschaltbild eines Sechs-Phasen- Wechselrichters und einer daran angeschlossenen Sechs- Phasen-Drehfeldmaschine. Die Sechs-Phasen-Drehfeldmaschine kann aufgefasst werden als eine Kombination von zwei auf eine gemeinsame Welle wirkenden dreiphasigen Maschinen, wobei Anschlussklemmen der ersten dreiphasigen Maschine mit Ul, U2 , VI, V2 , Wl , W2 und die der zweiten Maschine mit den gleichen Symbolen, jeweils mit einem zusätzlichen Apostroph, bezeichnet sind. Die Klemmen U2 , V2 , W2 , U2 ' , V2 ' , W2 ' beider Maschinen sind zu einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden; doch ist dies für die Funktionsweise der Maschine nicht von Bedeutung. Es könnten auch jeweils die Klemmen U2 , V2 , W2 der ersten dreiphasigen Maschine und diejenigen der zweiten dreiphasigen Maschine für sich zu einem Sternpunkt verschaltet sein. Auch eine Kombination von zwei dreiphasigen Maschinen in Dreieckschaltung wie in Fig. 4B gezeigt, kommt in Betracht. Auch ein Aufbau wie in Fig. 4C gezeigt ist möglich, bei dem sechs Wicklungen zu einem Sechseck in Reihe geschaltet sind und jede Wicklung sowohl einer Phase der ersten Drei-Phasen-Maschine mit Klemmen Ul , VI, Wl als auch der zweiten Maschine mit den Klemmen Ul', VI', Wl' zuzurechnen ist. Der Wechselrichter ist über einen Zwischenkreis mit einer positiven Schiene (+) und einer negativen Schiene (-) durch einen (nicht dargestellten) Gleichrichter gespeist. Zwischen den zwei Schienen +, - sind ein Glättkondensator C und sechs Stränge mit je zwei Schaltern parallel geschaltet. Wie in Fig. 1 sind die mit den Klemmen Ul, VI, Wl verbundenen Schalter mit Sll, S12, S21, S22, S31, S32 bezeichnet, und die entsprechenden der zweiten dreiphasigen Maschine zugeordneten Schalter sind mit den gleichen Symbolen, jeweils mit einem zusätzlichen Apostroph, bezeichnet. Da die Wicklungen der zweiten Teilmaschine jeweils entgegengesetzt zu denen der ersten orientiert sind, müssen diese, um einen gegebenen Raumzeiger zu erzeugen, jeweils mit einem Strom versorgt werden, dessen Vorzeichen entgegengesetzt zu dem ist, der durch die entsprechende Wicklung der ersten Teilmaschine fließt. D.h. die Schaltzustände zum Erzeugen eines gegebenen Basis-Raumzeigers sind bei den der zweiten Teilmaschine zugeordneten Schaltern Sll', ..., S32' jeweils entgegengesetzt zu denen der der ersten Teilmaschine zugeordneten Schalter Sll, ..., S32, wie in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Andersherum betrachtet: die Schaltsequenz, mit der die Schalter der zweiten Teilmaschine betätigt werden müssen, um einen gegebenen Raumzeiger wie den Zeiger u' (t) in Fig. 2 zu erzeugen, ist die gleiche, die bei der ersten Teilmaschine angewendet wird, um einen um 180° phasenverschobenen Raumzeiger -u' (t) zu erzeugen. Fig. 5A zeigt konkret ein Beispiel einer solchen Schaltsequenz. Für die Schalter Sll bis S32 der ersten Teilmaschine ist diese Schaltsequenz identisch mit der aus Fig. 3. Sie erzeugen in den Phasen I bis VIII der Schaltsequenz nacheinander die Basis-Raumzeiger uO, ul, u2 , u7 , u7 , u2 , ul, uO . Dabei belastet die erste Teilmaschine belastet den Zwischenkreis mit dem Strom Id. Die Zustände der Schalter Sll' bis S32', die der zweiten Teilmaschine zugeordnet sind, sind jeweils zu denen der Schalter Sll bis S32 ent- gegengesetzt ; sie erzeugen nacheinander in den Phasen I bis VIII die Basis-Raumzeiger u7 , u2 , ul , uO , uO , u7 , u2 , ul . Die zweite Teilmaschine zieht den Zwischenkreisstrom Id' in den Phasen II, III, VI, VII. Dabei ist im Allgemei- nen - abweichend von der diesbezüglich vereinfachenden Figur - der ÜbergangsZeitpunkt zwischen den Phasen II und III bzw. V und VI nicht für beide Teilmaschinen der gleiche. Die Ströme Id, Id' überlagern sich phasengleich zu Id,tot. Eine Vergleichmäßigung des Stromverbrauchs im Ver- gleich zur Drei-Phasen-Maschine der Fig. 1 ist hiermit noch nicht verbunden.

Führt man jedoch, wie in Fig. 5B gezeigt, erfindungsgemäß einen Phasenversatz zwischen den Schaltsequenzen der zwei Teilmaschinen ein, so führt dies auch zu einer Phasenverschiebung der von den Teilmaschinen gezogenen Zwischen- kreisströme Id, Id' . Wie Fig. 5B deutlich macht, in der eine Phasenverschiebung Δφ von ca. 45° angenommen ist, führt jeder beliebige Phasenversatz zwischen den Schaltse- quenzen der zwei Teilmaschinen zu einer Vergleichmäßigung des Zwischenstroms und damit zu einer Reduzierung der SpannungsSchwankungen im Zwischenkreis.

Wenn, wie bei der in Fig. 3 und Fig. 5A betrachteten Schaltsequenz jeweils einer der neutralen Schaltzustände uO, u7 Enden und Mitte eines Arbeitszyklus des Wechselrichters bildet und beide neutralen Phasen jeweils gleich lang sind, ist der optimale Wert der Phasenverschiebung 90°. In dem in Fig. 5A dargestellten Idealfall, dass die Phasen I, IV, V, VIII der neutralen Zustände insgesamt die Hälfte der Zyklusdauer ausmachen, führt ein solcher Phasenversatz dazu, dass, wie in Fig. 5C gezeigt, der von der ersten Teilmaschine gezogene Zwischenkreisstrom Id genau dann nicht verschwindet, wenn der Zwischenkreisstrom Id' verschwindet, und umgekehrt. Der Gesamt-Zwischenkreisstrom Id, tot ist dann konstant. In den meisten praktisch relevanten Fällen wird die Dauer der neutralen Schaltzustände uO , u7 kleiner oder größer als die halbe Zykluszeit sein. Auch hier ergibt sich jedoch eine Vergleichmäßigung des Zwischenkreisstroms, wie in Figs. 6A, 6B gezeigt. In Fig. 6A, die den Fall des Betriebs der Sechs-Phasen-Drehfeldmaschine bei niedriger Leistung betrifft, ist die Dauer der neutralen Zustände größer als eine halbe Zyklusdauer, und es wechseln sich Phasen, in denen jeweils eine der Teilmaschinen Strom zieht, und Phasen, in denen kein Strom gezogen wird, einander ab. Im in Fig. 6B gezeigten Fall des Betriebs bei hoher Leistung, wo die Dauer der neutralen Schaltzustände geringer als eine halbe Zyklusdauer ist, wechseln sich Phasen, in denen jeweils eine der Teilmaschinen Strom zieht, mit Phasen ab, in denen beide Strom ziehen.

Bei den bislang betrachteten Beispielen haben die von der Teilmaschine verursachten Zwischenkreisstrome Id bzw. Id' eine Periode, die halb so lang wie der Arbeitszyklus des Wechselrichters ist. Daher gewährleistet eine Phasenverschiebung der Schaltsequenzen der Teilmaschinen gegeneinander von 90° eine gute Vergleichmäßigung des Gesamt- Zwischenkreisstroms Id, tot. Natürlich kann die Periode der Zwischenkreisstrome auch mit der Zyklusdauer des Wechselrichters übereinstimmen, z. B. wenn eine Schaltsequenz für jede Teilmaschine eingesetzt wird, bei der die im Vergleich zu der Schaltsequenz der Fig. 3 die neutralen Phasen IV und V mit dem Raumzeiger u7 in der Mitte der Schaltsequenz weggelassen und die neutralen Phasen I und VIII mit dem Raumzeiger uO entsprechend verlängert sind; dann ergibt sich eine gute Vergleichmäßigung aus einer Phasenverschiebung von 180°. Fig. 7 zeigt Schaltzyklen gemäß einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens. Abweichend von dem in Fig. 5B, 5C und 6A, 6B verfolgten Ansatz, die Schaltsequenzen für die Schalter Sll bis S32 einerseits und Sll' bis S32' andererseits nach einer gleichen Vorschrift zu bestimmen und durch einen Phasenversatz zwischen den Schaltzyklen die

Belastung des Zwischenkreises möglichst gleichmäßig zu machen, werden in Figs . 7A, 7B unterschiedliche Vorschriften für die Festlegung der SchaltSequenzen herangezogen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass es für das Verhalten des Motors ohne Belang ist, ob als neutraler Schaltzustand der Zustand uO oder u7 verwendet wird, bzw. welchen Anteil diese Schaltzustände an der Dauer des Zyklus haben. Während bei den bisher betrachteten Schaltsequenzen die Dauer beider Schaltzustände jeweils gleich war, sind im Fall der Fig. 7 die Phasen IV, V, die dem Schaltzustand u7 entsprechen, für die die erste Teilmaschine versorgenden Schalter Sll bis S32 verlängert und für die Schalter Sll' bis S32' der zweiten Teilmaschine verkürzt, und umgekehrt sind die Phasen I, VIII, die dem Schaltzustand uO , entsprechen, für die Schalter Sll bis S32 verkürzt und für Sll' bis S32' verlängert. Dadurch verschieben sich die Phasen der Belas- tung des Zwischenkreises durch die erste Teilmaschine zu den Enden des Zyklus und für die zweite Teilmaschine zur Mitte des Zyklus, wie an den auf die Teilmaschinen entfallenden Zwischenkreisströmen Id, Id' in Fig. 7 zu erkennen ist. Es ergibt sich eine Vergleichmäßigung des gesamten

Zwischenkreisstroms Id' , die um so deutlicher ist, je mehr bei den Schaltern Sll bis S32 der Schaltzustand u7 verlängert und der Schaltzustand uO verkürzt sowie bei den Schaltern Sll' bis S32' der Schaltzustand uO verlängert und u7 verkürzt ist .

Fig. 8 zeigt eine Drehfeldmaschine und einen Wechselrichter mit jeweils vier Phasen. Die den einzelnen Phasen entsprechenden Wicklungen der Drehfeldmaschine sind jeweils unter 90° zueinander angeordnet und haben Eingangsklemmen Ul, VI, Ul ' , VI', die jeweils mit einem durch Schalter Sll, S12 bzw. S21, S22 bzw. Sll', S12' bzw. S21', S22' gebildeten Strang des Wechselrichters verbunden sind, und zu einem Sternpunkt verbundene Ausgangsklemmen U2 , V2 , U2 ' , V2 ' .

Durch Bestromen jeweils einer der vier Wicklungen der Maschine sind die in dem Diagramm der Fig. 9 mit ul bis u4 bezeichneten Raumzeiger erzeugbar. In Analogie zur oben beschriebenen Sechs-Phasen-Drehfeldmaschine werden zwei

Schaltzustände des Wechselrichters, in denen die Schalter Sll, S21, Sll' , S21' alle offen bzw. alle geschlossen sind, und die entsprechenden, verschwindenden Raumzeiger mit uO bezeichnet. Um eine gleichmäßige Drehung der Vier- Phasen-Drehfeldmaschine anzutreiben, muss ein auf einem Kreis K gleichmäßig umlaufender Raumzeiger u' (t) erzeugt werden. Hierzu wird jeweils während einer der Projektion von u' (t) auf die beiden benachbarten Basis-Raumzeiger, hier ul und u2 , entsprechenden Zeitspanne der jeweilige Basis-Raumzeiger erzeugt, bzw. wenn sich die Zeitspannen, in denen die Basis-Raumzeiger erzeugt werden, überlappen, wird ein Raumzeiger parallel zur Winkelhalbierenden des von dem Basis -Raumzeiger ul , u2 aufgespannten Winkels erzeugt .

Eine nicht erfindungsgemäße Schaltsequenz, mit der die Steuerschaltung CTL des Wechselrichters aus Fig. 8 dessen Schalter ansteuern kann, um während eines Arbeitszyklus mit Phasen I bis X des Wechselrichters den gewünschten Raumzeiger u' (t) zu erzeugen, ist in Fig. 10 gezeigt.. In jedem Arbeitszyklus werden die Schalter jedes Strangs zweimal umgeschaltet, wobei die zwei SchaltZeitpunkte jedes Strangs gleich weit von einem Mittelpunkt des Arbeitszyklus zwischen den Phasen V und VI entfernt sind. Außerdem sind bei zwei Strängen, die einander entgegengesetzte Anschlüsse, z.B. Ul, Ul', der Maschine versorgen, die

Schaltzeitpunkte der Schalter Sll, S12 des einen Strangs genauso weit vom Anfang bzw. Ende des Schaltzyklus entfernt wie die Schaltzeitpunkte der Schalter Sll', S12' des anderen Strangs von der Mitte des Schaltzyklus. Es gibt daher pro Schaltzyklus zwei Zeitintervalle, in denen der

Zwischenkreisstrom IdU des Wechselrichters, der auf Strom- fluss zwischen den Anschlüssen Ul und Ul' zurückgeht, von Null verschieden ist, und diese zwei Zeitspannen liegen jeweils mittig in der ersten bzw. zweiten Hälfte des Schaltzyklus. Gleiches gilt für einen auf Stromfluss zwischen den Anschlüssen VI, VI' zurückgehenden Zwischenkreisstrom IdV, so dass ein stark ungleichmäßiger Gesamt- Zwischenkreisstrom Id,tot mit dem in der untersten Zeile von Fig. 10 gezeigten Verlauf resultiert.

Fasst man die Vier-Phasen-Drehfeldmaschine auf als eine Überlagerung von zwei Zwei-Phasen-Maschinen, zu denen jeweils die Phasen Ul , Ul ' bzw. VI, VI' gehören, so ist leicht einzusehen, dass der Gesamt-Zwischenkreisstrom vergleichmäßigt werden kann, indem ein Phasenversatz von 90° zwischen den Schaltsequenzen der zwei Zwei-Phasen- Maschinen eingeführt wird. Die entsprechenden Schaltsequenzen und die daraus resultierenden Zwischenkreisstrome sind in ihrem zeitlichen Verlauf in Fig. 11 dargestellt. Zeitspannen, in denen die durch die Phasen VI, VI' gebildete Maschine den Zwischenkreis belastet, fallen jeweils mit Zeitintervallen überein, in denen die aus den Phasen Ul, Ul' gebildete Maschine keinen Zwischenkreisstrom zieht. So wird der Zwischenkreis gleichmäßig, mit geringem Wechselanteil, belastet, und es genügt ein kleiner Glättkondensator C, um störende SpannungsSchwankungen wirksam zu unterdrücken.

Selbstverständlich kann auch die bereits oben beschriebene Sechs-Phasen-Drehfeldmaschine als eine Kombination von drei Zwei-Phasen-Maschinen aufgefasst werden, denen jeweils die Klemmenpaare Ul , Ul ' , VI, VI' und Wl, Wl ' entsprechen. Bei der in Fig. 5A gezeigten, nicht erfindungsgemäßen Schaltsequenz ist leicht nachzuvollziehen, dass auf die durch Ul, Ul ' gebildete Zwei-Phasen-Maschine und die durch Wl , Wl' gebildete Maschine jeweils ein Anteil IdU bzw. IdW am Zwischenkreisstrom mit dem gleichen Verlauf wie Id in Fig. 5A entfiele, während die zwei Zwei- Phasen-Maschine VI, VI' nur dann einen Zwischenkreisstrom zieht, wenn der zu erzeugende Raumzeiger u' (t) eine nicht- verschwindende Projektion auf die von dieser Maschine erzeugbaren Basis-Raumzeiger u2 , u5 hat, d.h. wenn abweichend von der Darstellung der Fig. 5A die UmschaltZeitpunkte der Schalter S21, S22 einerseits und S21' und S22' andererseits verschieden sind.

Fig. 12 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der auf die einzelnen Zwei-Phasen-Maschinen zurückgehenden Anteile an Zwischenkreisstrom unter der Annahme, dass wie bei der Schaltsequenz der Fig. 5A jede Zwei-Phasen-Maschine in je- dem Arbeitszyklus von tO bis tl¹ der Steuerschaltung zweimal Strom zieht, und dass die Zeiten, in denen die einzelnen Maschinen Strom ziehen, um jeweils 60° phasenverschoben sind. Die Zeitintervalle mit nichtverschwindendem Anteil IdU, IdV , IdW des Zwischenkreisstroms sind jeweils als vertikale Linie mit einem gestrichelten horizontalen Doppelpfeil dargestellt, der, die je nach geforderter Maschinenleistung und Orientierung des zu erzeugenden Raumzeigers u' (t) variable Breite der Stromimpulse, symbolisiert. Bei geringer Leistung der Maschine, dargestellt durch die Kurve Id,tot(l), überlappen die auf die einzelnen Zwei-Phasen-Maschinen zurückgehenden Stromimpulse nicht, und der Zwischenkreisstrom schwankt zwischen 0 und dem von einer einzelnen Zwei-Phasen-Maschine maximal aufgenommenen Strom Im. Nimmt die geforderte Leistung zu, so dass benachbarte Intervalle nichtverschwindenden Zwischenkreisstroms der Zwei-Phasen-Maschinen überlappen, so oszilliert der Strom zwischen Im und 21m, wie für die Kurve Id,tot^'(2) gezeigt. Nimmt die geforderte Leistung nochmals zu, so dass jeweils übernächst benachbarte Intervalle zu überlappen beginnen, so schwankt der Gesamt-Zwischenkreisstrom Id,tot(3) zwischen 21m und 31m. In allen Fällen ist der Wechselanteil des Gesamt-Zwischenkreisstroms wirksam minimiert . Wie man leicht sieht, ist dieses Konzept ohne weiteres auch auf Drehfeldmaschinen mit noch höheren Phasenzahlen übertragbar; die Vergleichmäßigung des Zwischenkreisstroms ist um so wirksamer möglich, je größer die Zahl der Phasen der betrachteten Drehfeldmaschine ist bzw. je größer die Zahl der Teilmaschinen ist, in diese Drehfeldmaschine i- deell zerlegt werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer n-Phasen- Drehfeldmaschine (n > 4) , wobei n eine natürliche Zahl > 4ist, mit Hilfe eines Wechselrichters, der n aus einem Gleichstromzwischenkreis gespeiste Stränge (Sll, S12; S21, S22; S31, S32 ; Sll', S12 ' ; S21', S22'; S31', S32') zum Versorgen jeweils einer Phase (Ul, VI, Wl , Ul' , VI', Wl') der n-Phasen-Drehfeldmaschine umfasst, bei dem in aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen folgende Schritte ausgeführt werden: a) Festlegen eines in der n-Phasen-Drehfeldmaschine zu erzeugenden Raumzeigers (u' (t) ) ; b) Festlegen einer ersten Schaltsequenz für die Schalter (Sll, S12, S21, S22, S31, S32) einer ersten Gruppe von i Strängen (i = 2, 3, ..., n-2) (Sll, S12; S21, S22 ; S31, S32), wobei 2<i≤n-2, die jeweils sich zu einer ersten i-Phasen- Maschine ergänzende Phasen (U, V, W) der n- Phasen-Drehfeldmaschine versorgen, in der Weise, dass diese i Phasen einen ersten Beitrag zum Raumzeiger liefern; c) Festlegen einer zweiten Schaltsequenz für die Schalter (Sll', S12', S21', S22', S31', S32') einer zweiten Gruppe, die die j nicht zur ersten Gruppe gehörenden Stränge (j = 2+i, 3+i, ..., n- 2-i) (Sll', S12'; S21', S22'; S31', S32'), 2+i≤j<n-2-i, umfasst, in der Weise, dass die von diesen j Strängen gespeisten Phasen der n-Phasen- Drehfeldmaschine, die sich zu einer j -Phasen- Maschine ergänzen, den restlichen Beitrag zum Raumzeiger liefern und dass die Zeiten, in denen die Stränge der zweiten Gruppe einen Strom aus dem Zwischenkreis ziehen, mit den Zeiten, in denen die Stränge der ersten Gruppe einen Strom aus dem Zwischenkreis ziehen, nicht oder nur unvollständig übereinstimmen, d) Ansteuern der Gruppen von Strängen anhand der festgelegten SchaltSequenzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem i+j = n ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die von der zweiten Gruppe gespeisten j Phasen der n-Phasen- Drehfeldmaschine als eine j -Phasen-Drehfeldmaschine behandelt und die Schritte b) bis d) auch auf die j - Phasen-Drehfeldmaschine angewandt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beiträge aller Gruppen zum Raumzeiger (u' (t) ) parallel festgelegt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zahl der Stränge aller Gruppen gleich ist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die auf jeden Arbeitszyklus bezogenen Schaltzeitpunkte der Schaltsequenz für jede Gruppe nach einer einheitlichen Vorschrift bestimmt werden und die Arbeitszyk- len der Gruppen einen Phasenversatz aufweisen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Phasenversatz so gewählt wird, dass zu jeder Zeit, wo eine der Gruppen Strom aus dem Zwischenkreis zieht, keine der ande- ren Gruppen Strom zieht.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Phasenversatz so gewählt wird, dass zu jeder Zeit, wo eine der Gruppen keinen Strom aus dem Zwischenkreis zieht, wenigs- tens eine der anderen Gruppen einen Strom aus dem Zwischenkreis zieht.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schaltsequenzen jeder Gruppe pro Arbeitszyklus ein Zeitintervall aufweisen, in dem die Gruppe einen Strom aus dem Zwischenkreis zieht, und dass die Phasendifferenz zwischen den Schaltsequenzen 360°, dividiert durch die Zahl der Gruppen, beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Schaltsequenzen jeder Gruppe pro Arbeitszyklus zwei Zeitintervalle aufweisen, in denen die Gruppe ei- nen Strom aus dem Zwischenkreis zieht, und dass die Phasendifferenz zwischen den Schaltsequenzen 180°, dividiert durch die Zahl der Gruppen, beträgt.

11. Wechselrichter mit n (n > 4) aus einem Gleichstromzwischenkreis gespeisten Strängen (Sll, S12; S21, S22; S31, S32; Sll', S12'; S21', S22'; S31', S32'), einem zu den Strängen parallelen Glättkondensator (C) und einer Steuerschaltung (CTL) zum Ansteuern von Schal- tern (Sll, S12, ..., S32') der n Stränge, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung (CTL) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.