DE102013220502B4

DE102013220502B4 - Skalierbares elektrisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102013220502B4
Application number: DE102013220502.3A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Hildinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2033-10-12
Also published as: DE102013220502A1

Abstract

Elektromotorsteuerungseinrichtung (100; 200), die dazu ausgebildet ist, einen Elektromotor (106) anzusteuern, der zumindest drei Phasenwicklungen (108, 110, 112) aufweist, wobei jede Phasenwicklung einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, mit – einer ersten Drehfelderzeugungseinrichtungen (102), die dazu ausgebildet ist, ein sich drehendes Feld zu erzeugen, wenn die zumindest drei Phasenausgänge der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) an die Phasenwicklungen (108, 110, 112) des Elektromotors (106) angeschlossen sind; – einer zweiten Drehfelderzeugungseinrichtungen (104), die dazu ausgebildet ist, ein sich drehendes Feld zu erzeugen, wenn die zumindest drei Phasenausgänge der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung an die Phasenwicklungen (108, 110, 112) des Elektromotors (106) angeschlossen sind; wobei der erste Anschluss jeder der Mehrzahl von Phasenwicklungen (108, 110, 112) an die erste Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und der zweite Anschluss jeder der Mehrzahl von Phasenwicklungen (108. 110, 112) an die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung (104) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehfelderzeugungseinrichtung (102) an eine erste Versorgungsspannung (Ud1) und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung (104) an eine zweite Versorgungsspannung (Ud2) angeschlossen ist, wobei – die erste Versorgungsspannung (Ud1) und die zweite Versorgungsspannung (Ud2) unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen und dass bei einem ersten Betriebsmodus der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) die Spitzenspannung U^ s an einer Phasenwicklung (108, 110, 112) zwischen 1/√3 multipliziert mit der ersten Versorgungsspannung (Ud1) und 1/√3 multipliziert mit der Summe der ersten Versorgungsspannung (Ud1) und der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) beträgt, bei einem zweiten Betriebsmodus der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) die Spitzenspannung U^ s an einer Phasenwicklung (108, 110, 112) zwischen 1/√3 multipliziert mit der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) und 1/√3 multipliziert mit der ersten Versorgungsspannung (Ud1) beträgt und bei einem dritten Betriebsmodus der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) die Spitzenspannung U^ s an einer Phasenwicklung (108, 110, 112) kleiner als 1/√3 multipliziert mit der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) beträgt wobei jeder Phasenausgang der ersten Drehfeldeinrichtung (102) und der zweiten Drehfeldeinrichtung (104) ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein skalierbares elektrisches Antriebssystem, das im Einsatz an den Anwendungsfall angepasst werden kann, um die Leistung und den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Elektrische Antriebe werden zunehmend in Kraftfahrzeugen eingesetzt, beispielsweise als so genannter Hybrid-Antrieb oder als vollelektrischer Antrieb. Es sind auch Mischformen bekannt, beispielsweise Plug-In-Hybrid-Antriebe.
Ein elektrisches Antriebssystem des Standes der Technik für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Ladungsspeicher, d. h. einen Akkumulator, einen Wechselrichter und einen Drehstrommotor. Die elektrischen Antriebssysteme des Standes der Technik sind nicht optimal auf alle Betriebsbedingungen auslegbar. Beispielsweise wird beim Anfahren ein hoher Strom benötigt. Da beim Anfahren noch keine Gegeninduktion auftritt, fällt eine hohe Spannung über die Wechselrichter ab, was zu hohen thermischen Verlusten führt. Folglich ist beim Anfahren eine niedrige Betriebsspannung wünschenswert. Wenn das elektrische Antriebssystem bei einer hohen Drehzahl arbeitet, entsteht eine hohe Gegeninduktion und folglich ist bei diesem Betriebsfall eine hohe Betriebsspannung wünschenswert.
Traktionsantriebe eines Kraftfahrzeuges sind in der Regel auf große Maximalleistungen ausgelegt. Die Traktionsantriebe des Standes der Technik sind aber nicht hinsichtlich der Effizienz im Teillastbetrieb bei etwa 10% bis etwa 20% der Maximalleistung optimierend. Beim Anfahren, d. h. bei Drehzahl null, begrenzen die Durchlassverluste der Umrichterhalbbrücke, die mit dem maximalen Phasenstrom beaufschlagt wird, das Antriebsmoment. Die Kopplung zweier Teilspeicher mit unterschiedlichen P/E-Verhältnissen, d. h. unterschiedlichen Verhältnissen von Leistung zu Energie, und unterschiedlichen maximal Spannungslagen erfordert im Teillastfall auch nennenswerte Leistungsflüsse über entsprechende leistungselektronische Kopplungsglieder. Eine Veränderung der Spannungslagen-Klassen, beispielsweise für eine Leistungsskalierung, führt eine Anpassung auf die zweite Spannungsklasse oder eine Variante der Nebenaggregate mit sich. Bei Volllastanforderungen großer Plug-In-Hybrid-Fahrzeug-Systeme in koaxialen Antriebsausgestaltungen, beispielsweise scheibenförmigen Maschinen mit abgesenkter cos(phi) führt eine weiche Batteriespannung zu Phasenströmen, die durch herkömmliche IGBT-Module nicht realisiert werden können. Bei den derzeit verfügbaren Leistungsmodulen mit einer Spezifikation von 650 V und 450 Aeff ergibt sich bei cos(phi) = 0,5 und eta_EM&LE = 0,9 eine maximale mechanische Ausgangsleistung von etwa 90 kW.
Die DE 10 2010 060 380 B3 offenbart einen Motor mit drei Phasenwicklungen, wobei die Wicklungen an zwei Wechselrichtereinheiten angeschlossen sind. Dadurch kann bei gleicher Zwischenkreisspannung eine höhere Spannung an den Elektromotor angelegt werden. Dadurch erreicht der Motor eine höhere Maximal-Leistung. Ferner kann ein Notbetrieb des Systems mittels eines zusätzlichen Schaltelementes aufrechterhalten werden, wenn eine Wechselrichtereinheit ausfällt.
Die DE 10 2008 034 669 A1 , DE 10 2008 034 667 A1 , DE 10 2008 045 101 A1 , DE 10 2008 034 671 A1 und DE 10 2006 003 397 A1 offenbaren zwei Wechselrichterbrücken, die an einen Elektromotor eines Kraftfahrzeuges angeschlossen sind. Jede Wechselrichterbrücke wird von einem unterschiedlichen Speicher gespeist. Die Modulation der Wechselrichterbrücken wird dem jeweiligen Arbeitspunkt angepasst.
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine Elektromotorsteuerungseinrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die ermöglichen, dass der Elektromotor sowohl hinsichtlich der Abgabeleistung als auch hinsichtlich des Wirkungsgrades optimiert angesteuert wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Elektromotorsteuerungseinrichtung nach Anspruch 1, ein Antriebssystem nach Anspruch 3 und ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst.
Eine Elektromotorsteuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Elektromotor anzusteuern, der zumindest drei Phasenwicklungen aufweist, wobei jede Phasenwicklung einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, umfasst eine erste Drehfelderzeugungseinrichtung und eine zweite Drehfelderzeugungseinrichtung. Die erste Drehfelderzeugungseinrichtung kann ein sich drehendes Feld erzeugen, wenn die zumindest drei Phasenausgänge der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung an die Phasenwicklungen des Elektromotors angeschlossen sind. Die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung kann ein sich drehendes Feld erzeugen, wenn die zumindest drei Phasenausgänge der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung an die Phasenwicklungen des Elektromotors angeschlossen sind. Der erste Anschluss jeder der Mehrzahl von Phasenwicklungen ist an die erste Drehfelderzeugungseinrichtung und der zweite Anschluss jeder der Mehrzahl von Phasenwicklungen ist an die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung angeschlossen. Die erste Drehfelderzeugungseinrichtung und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung können das Drehfeld mittels Impulsbreitenmodulation erzeugen.
Der Elektromotor kann ein Drehstrommotor, beispielsweise ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotors sein. Der Elektromotor kann ein Linearmotor sein. Der Ausdruck Drehfelderzeugungseinrichtung umfasst jegliche Einrichtung, die einen Drehstrom erzeugen kann, wodurch ein sich drehendes Feld erzeugt wird, wenn Wicklungen an die Drehfelderzeugungseinrichtung angeschlossen sind. Falls der Elektromotor ein Linearmotor ist, umfasst der Ausdruck Drehfelderzeugungseinrichtung auch eine Wandelfelderzeugungseinrichtung. Der Ausdruck Drehfelderzeugungseinrichtung umfasst auch einen Wechselrichter oder Umrichter.
Der Elektromotor soll vorzugsweise eine Sternkonfiguration aufweisen, bei der alle sechs Phasenanschlüsse bei einer herkömmlichen dreiphasigen Maschine zugänglich sind. Durch das Vorsehen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, beispielsweise des zweiten Wechselrichters, kann die Spannungsaussteuerung der Phasen um den Faktor 1,7 erhöht werden. Die erste Drehfelderzeugungseinrichtung kann eine erste Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung kann eine zweite Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung angeschlossen sein. Die erste Versorgungsspannung kann einen anderen spannungswert als die zweite Versorgungsspannung unterscheiden. Beispielsweise kann die erste Versorgungsspannung höher als die zweite Ansteuerungsspannung sein, oder die zweite Versorgungsspannung kann höher als die erste Versorgungsspannung sein. In diesem Fall können zwei Wechselrichter vorhanden sein, die von unabhängigen Quellen, beispielsweise zwei Speicherbatterien oder zwei Zellensträngen, mit unterschiedlichen Zwischenkreisspannungen gespeist werden. Jeder Phasenausgang der ersten Drehfeldeinrichtung und der zweiten Drehfeldeinrichtung kann mit einer ersten Schalteinrichtung gekoppelt sein, die bei deren Aktivierung den jeweiligen Phasenausgang mit dem höheren Potential einer jeweiligen Versorgungsspannung verbinden kann. Jeder Phasenausgang kann mit einer zweiten Schalteinrichtung gekoppelt sein, die bei deren Aktivierung den jeweiligen Phasenausgang mit dem niedrigeren Potential der jeweiligen Versorgungsspannung koppeln kann. Die Schalteinrichtungen können Leistungstransistoren sein, beispielsweise IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Der erste Transistor bzw. die erste Schalteinrichtung ist zwischen dem höheren Potential der Versorgungsspannung und dem Phasenausgang angeschlossen. Der zweite Transistor bzw. die zweite Schalteinrichtung ist an den Phasenausgang und das niedrigere Potential der Versorgungsspannung angeschlossen.
Die Elektromotorsteuerungseinrichtung kann eine Steuerungseinrichtung aufweisen, die die Schalteinrichtungen so ansteuert, wie im Folgenden beschrieben ist. In einem ersten Modus für eine erste Bewegungsrichtung während eines ersten Teilzyklus aktiviert und deaktiviert die Steuerungseinrichtung zumindest einmal alternierend eine mit einer vorbestimmten Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung. Gleichzeitig wird eine mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Die erste Drehfelderzeugungseinrichtung kann an einen ersten Eingang der Phasenwicklung und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung kann an einen zweiten Eingang der Phasenwicklung angeschlossen sein. Anschließend wird in einem zweiten Teilzyklus des ersten Modus für die erste Bewegungsrichtung die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Gleichzeitig wird die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Der erste Teilzyklus und der zweite Teilzyklus des ersten Modus werden für alle an die Elektromotorsteuerungseinrichtung angeschlossenen Phasenwicklungen durchgeführt. Der erste Teilzyklus kann der positive Teil einer nachgebildeten Sinuswelle und der zweite Teilzyklus kann der negative Teil der nachgebildeten Sinuswelle sein. Es ist aber auch möglich, dass der erste Teilzyklus der negative Teil der nachgebildeten Sinuswelle ist und der zweite Teilzyklus der positive Teil der nachgebildeten Sinuswelle ist.
Die Steuerungseinrichtung kann in einem ersten Teilzyklus des ersten Modus für eine zweite Bewegungsrichtung eine mit einer vorbestimmten Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktivieren und deaktivieren. Gleichzeitig kann die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung durch die Steuerungseinrichtung alternierend aktiviert und deaktiviert werden. Anschließend kann die Steuerungseinrichtung während eines zweiten Teilzyklus des ersten Modus für die zweite Bewegungseinrichtung die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktivieren und deaktivieren. Gleichzeitig kann die Steuerungseinrichtung die mit dergleichen Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung alternierend aktivieren und deaktivieren. Der erste Teilzyklus und der zweite Teilzyklus des ersten Modus werden für alle an die Elektromotorsteuerungseinrichtung angeschlossenen Phasenwicklungen zeitlich versetzt durchgeführt. Bei diesem Betriebsmodus liegt eine höhere Spannung an den Phasenwicklungen an. In diesem Modus kann die Spannungsaussteuerung zur Steigerung der Maximalleistung erhöht werden. Dieser Modus eignet sich besonders bei hohen Drehzahlen.
Während eines ersten Teilzyklus des zweiten Modus für eine erste Bewegungsrichtung kann die Steuerungseinrichtung eine mit einer vorbestimmten Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktivieren und deaktivieren und gleichzeitig alle ersten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die an Phasenwicklungen angeschlossen sind, während des gesamten ersten Teilzyklus aktivieren. Anschließend kann die Steuerungseinrichtung während eines zweiten Teilzyklus des zweiten Modus für eine zweite Bewegungsrichtung die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktivieren und deaktivieren und gleichzeitig alle zweiten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die an Phasenwicklungen angeschlossen sind, während des gesamten zweiten Teilzyklus aktivieren. Der erste Teilzyklus und der zweite Teilzyklus werden für alle an die Elektromotorsteuerungseinrichtung angeschlossenen Phasenwicklungen zeitlich versetzt durchgeführt.
Während eines ersten Teilzyklus eines zweiten Modus für eine zweite Bewegungseinrichtung kann die Steuerungseinrichtung eine mit einer vorbestimmten Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktivieren und deaktivieren und gleichzeitig alle zweiten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die an Phasenwicklungen angeschlossen sind, während des gesamten ersten Teilzyklus aktivieren. Während eines zweiten Teilzyklus des zweiten Modus für die zweite Bewegungsrichtung kann die Steuerungseinrichtung die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktivieren und deaktivieren und gleichzeitig alle ersten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die an Phasenwicklungen angeschlossen sind, während des gesamten Teilzyklus aktivieren. Der erste Teilzyklus und der zweite Teilzyklus des zweiten Modus werden für alle an die Elektromotorsteuerungseinrichtung angeschlossenen Phasenwicklungen zeitlich versetzt durchgeführt.
Falls sich die durch die erste Drehfelderzeugungseinrichtung bereitgestellte erste Versorgungsspannung von der zweiten durch die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung bereitgestellten zweiten Versorgungsspannung unterscheidet, liegt an den Phasenwicklungen eine niedrige Spannung an, die der Differenz der ersten Versorgungsspannung und der zweiten Versorgungsspannung entspricht. Der zweite Modus eignet sich für niedrige Drehzahlen, insbesondere für das Anfahren, da aufgrund der niedrigeren Versorgungsspannung die thermischen Verluste in den Drehfelderzeugungseinrichtungen reduziert werden. Der zweite Modus ermöglicht auch eine Effizienzoptimierung bei Teillast entsprechend der maximal zu realisierenden Betriebsspannung.
Das höhere Potential der ersten Versorgungsspannung kann an die erste Schalteinrichtung und das niedrigere Potential der ersten Versorgungsspannung kann an die zweite Schalteinrichtung angeschlossen sein. Das höhere Potential der zweiten Versorgungsspannung kann an die erste Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung und das niedrigere Potential der zweiten Versorgungsspannung kann an die zweite Schalteinrichtung der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung angeschlossen sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Antriebssystem mit einem Antriebsmotor und der zuvor beschriebenen Elektromotorsteuerungseinrichtung.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors mit zumindest drei Phasenwicklungen mit je einem ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss gelöst, das den Schritt des alternierenden Verbindens des ersten Anschlusses jeder der Phasenwicklungen mit dem höheren Potential einer ersten Versorgungsspannung und dem niedrigeren Potential einer zweiten Versorgungsspannung und den Schritt des alternierenden Verbindens des zweiten Anschlusses jeder der Phasenwicklungen mit dem höheren Potential einer zweiten Versorgungsspannung und dem niedrigeren Potential einer zweiten Versorgungsspannung aufweist. Die erste Versorgungsspannung kann sich von der zweiten Versorgungsspannung unterscheiden. Die erste Versorgungsspannung kann höher als die zweite Versorgungsspannung, oder die zweite Versorgungsspannung kann höher als die erste Versorgungsspannung sein. Der Schritt des alternierenden Verbindens kann mittels einer Impulsbreitenmodulation durchgeführt werden.
Während eines ersten Teilzyklus für einen ersten Modus für eine erste Bewegungsrichtung wird eine mit einer vorbestimmten Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung einer ersten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die vorbestimmte Phasenwicklung mit dem höheren Potential der ersten Versorgungsspannung koppelt, zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Eine mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte Schalteinrichtung einer zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklung mit dem niedrigeren Potential der zweiten Versorgungsspannung koppelt, wird gleichzeitig zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Anschließend wird während eines zweiten Teilzyklus des ersten Modus für die erste Bewegungsrichtung die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklung mit dem niedrigeren Potential der ersten Versorgungsspannung koppelt alternierend aktiviert und deaktiviert. Gleichzeitig wird die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklung mit dem höheren Potential der zweiten Versorgungsspannung koppelt, gleichzeitig aktiviert und deaktiviert. Die Schritte des ersten Teilzyklus und des zweiten Teilzyklus des ersten Modus werden für alle Phasenwicklungen des Elektromotors zeitlich versetzt durchgeführt.
Während eines ersten Teilzyklus des ersten Modus für eine zweite Bewegungsrichtung wird eine mit einer vorbestimmten Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Gleichzeitig wird die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung alternierend aktiviert und deaktiviert. Anschließend wird in einem zweiten Teilzyklus des ersten Modus für die zweite Bewegungsrichtung die erste Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Gleichzeitig wird die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung alternierend aktiviert und deaktiviert. Gleichzeitig kann die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung alternierend aktiviert und deaktiviert werden. Die Schritte des ersten Teilzyklus und des zweiten Teilzyklus werden für alle Phasenwicklungen des Elektromotors zeitlich versetzt durchgeführt.
Während eines ersten Teilzyklus eines zweiten Modus für eine erste Bewegungsrichtung kann eine mit einer vorbestimmten Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung einer ersten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklung mit dem höheren Potential der ersten Versorgungsspannung koppelt zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert werden. Alle ersten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklungen mit dem höheren Potential der zweiten Versorgungsspannung koppeln, werden während des ersten Teilzyklus aktiviert. Die ersten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung können während des gesamten ersten Teilzyklus aktiviert werden. Anschließend wird während eines zweiten Teilzyklus des ersten Modus für die erste Bewegungsrichtung die zweite Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklung mit dem niedrigeren Potential der ersten Versorgungsspannung koppelt, zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Alle zweiten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklungen mit einem niedrigeren Potential einer zweiten Versorgungsspannung koppeln, werden während des zweiten Teilzyklus aktiviert. Die zweiten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung können während des gesamten zweiten Teilzyklus aktiviert sein. Die zuvor beschriebenen Schritte des ersten Teilzyklus und des zweiten Teilzyklus des ersten Modus können für alle Phasenwicklungen des Elektromotors zeitlich versetzt durchgeführt werden.
Während eines ersten Teilzyklus des zweiten Modus für eine zweite Bewegungsrichtung wird die mit einer vorbestimmten Phasenwicklung gekoppelte zweite Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklung mit dem niedrigeren Potential einer ersten Versorgungsspannung koppelt, zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Ferner werden alle zweiten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklungen mit einem niedrigeren Potential einer zweiten Versorgungsspannung koppeln, während des ersten Teilzyklus aktiviert. Anschließend wird in einem zweiten Teilzyklus des zweiten Modus für die zweite Bewegungsrichtung die mit der gleichen Phasenwicklung gekoppelte erste Schalteinrichtung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklung mit dem höheren Potential der ersten Versorgungsspannung koppelt, zumindest einmal alternierend aktiviert und deaktiviert. Ferner werden alle ersten Schalteinrichtungen der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung, die die Phasenwicklungen mit dem höheren Potential der zweiten Versorgungsspannung koppeln, während des zweiten Teilzyklus aktiviert. Die Schritte des ersten Teilzyklus und des zweiten Teilzyklus des zweiten Modus werden für alle Phasenwicklungen des Elektromotors zeitlich versetzt durchgeführt.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, erläutert.
Es zeigen:
1 eine herkömmliche Stern-Schaltung eines Elektromotors;
2 eine veranschaulichende Beschaltung eines Elektromotors;
3 eine Beschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 bis 7 eine Ansteuerung des Elektromotors gemäß eines ersten Modus;
8 bis 11 eine erste Ansteuerung des Elektromotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
12 bis 15 eine zweite Ansteuerung des gemäß der zweiten Ausführungsform.
1 zeigt einen Schaltplan für eine herkömmliche Ansteuerung eines Drehstrommotors 1 mit einem herkömmlichen Wechselrichter bzw. einer herkömmlichen Drehfelderzeugungseinrichtung 2. Die Phasenwicklungen 4 des Drehstrommotors 1 sind an einen gemeinsamen Sternpunkt 6 angeschlossen. Der Wechselrichter 2 weist eine Mehrzahl Transistoren auf, die eine Phasenwicklung 4 entweder mit dem höheren Potential der Versorgungsspannung Ud oder mit dem niedrigeren Potential der Versorgungsspannung Ud verbinden können. Eine derartige Ansteuerung eines Drehstrommotors 1 durch einen Wechselrichter 2 ist dem Fachmann bekannt und muss im Sinne der Prägnanz an dieser Stelle nicht erläutert werden.
Durch eine Phasenwicklung fließt der Strom Is und über die Phasenwicklung fällt die Spannung Us ab. Die Maximalleistung des Drehstrommotors beträgt P_max = 3·Us/√3·Is; wobei Us = Ud/√3;
2 zeigt eine veranschaulichende Elektromotorsteuerungseinrichtung 100 mit einer ersten Drehfelderzeugungseinrichtung bzw. einem ersten Wechselrichter 102 und einer zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung bzw. einem ersten Wechselrichter 104. Die erste Drehfelderzeugungseinrichtung 102 und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung 104 sind an die gleiche Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud angeschlossen. Die erste Drehfelderzeugungseinrichtung 102 und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung 104 sind an einen Drehstrommotor 106 mit drei Phasenwicklungen 108, 110, 112 angeschlossen. Sowohl die erste Drehfelderzeugungseinrichtung 102 als auch die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung 104 umfassen drei Ausgänge, an denen je eine Phasenwicklung 108, 110, 112 des Drehstrommotors 106 angeschlossen ist. Der Drehstrommotor 106 kann ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor sein. Die Phasenwicklungen 108, 110, 112 können im Stator des Drehstrommotors angeordnet sein. Der Rotor kann Permanentmagneten aufweisen. Der Drehstrommotor kann auch fremderregt sein. Drehstrommotoren sind dem Fachmann bekannt und müssen daher im Sinne der Prägnanz nicht weiter beschrieben werden.
Ein erster Anschluss 108 der ersten Phasenwicklung 108 des Elektromotors ist an einen ersten Ausgang der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung 102 angeschlossen. Der zweite Anschluss der ersten Phasenwicklung 108 ist an den ersten Ausgang der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 angeschlossen. Ein erster Anschluss der zweiten Phasenwicklung 110 ist an den zweiten Ausgang der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung angeschlossen, und ein zweiter Anschluss der zweiten Phasenwicklung 110 ist an den zweiten Ausgang der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 angeschlossen. Ein erster Anschluss der dritten Phasenwicklung 112 ist an einen dritten Ausgang der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung 102 angeschlossen, und ein zweiter Ausgang der dritten Phasenwicklung 112 ist an den dritten Ausgang der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 angeschlossen.
An die Versorgungsspannung Ud sind Glättungskondensatoren C11 und C12 angeschlossen.
Die erste Drehfelderzeugungseinrichtung 102 weist eine erste Schalteinrichtung T11, eine zweite Schalteinrichtung T12, eine dritte Schalteinrichtung T13, eine vierte Schalteinrichtung T14, eine fünfte Schalteinrichtung T15 und eine sechste Schalteinrichtung T16 auf. Die Schalteinrichtungen T11 bis T16 der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung 102 werden durch eine Steuerungseinrichtung 114 aktiviert und deaktiviert.
Die erste Schalteinrichtung T11 kann den ersten Ausgang der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung 102, an den der erste Anschluss der ersten Phasenwicklung 108 angeschlossen ist, mit dem höheren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden. Die zweite Schalteinrichtung T12 kann den ersten Ausgang der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung 102, an den der erste Anschluss der ersten Phasenwicklung 108 angeschlossen ist, mit dem niedrigeren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden. Die dritte Schalteinrichtung T13 kann den zweiten Ausgang der ersten Schalteinrichtung 102, an den die zweite Phasenwicklung 110 angeschlossen ist, mit dem höheren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden. Die vierte Schalteinrichtung T14 kann den zweiten Ausgang der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung 102, an den der erste Anschluss der zweiten Phasenwicklung angeschlossen ist, mit dem niedrigeren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden. Die fünfte Schalteinrichtung T15 kann den dritten Ausgang der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung 102, an den der erste Anschluss der dritten Phasenwicklung 112 angeschlossen ist, mit dem höheren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden. Die sechste Schalteinrichtung T16 kann den dritten Ausgang, an den der erste Anschluss der dritten Phasenwicklung 112 angeschlossen ist, mit dem niedrigeren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung verbinden.
Die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung 104 umfasst eine erste Schalteinrichtung, T21, eine zweite Schalteinrichtung T22, eine dritte Schalteinrichtung T23, eine vierte Schalteinrichtung T24, eine fünfte Schalteinrichtung T25 und eine sechste Schalteinrichtung T26, die durch die Steuerungseinrichtung 114 aktiviert und deaktiviert werden.
Die erste Schalteinrichtung T21 der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 kann den ersten Ausgang der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104, an den der zweite Anschluss der ersten Phasenwicklung 108 angeschlossen ist, mit dem höheren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden. Die zweite Schalteinrichtung T22 der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 kann den ersten Ausgang der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104, an den der zweiter Anschluss der ersten Phasenwicklung 108 angeschlossen ist, mit dem niedrigeren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden. Die dritte Schalteinrichtung T23 der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 kann den zweiten Ausgang der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104, an den der zweiter Anschluss der zweiten Phasenwicklung 110 angeschlossen ist, mit dem höheren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden. Die vierte Schalteinrichtung T24 der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 kann den zweiten Ausgang der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104, an den der zweite Anschluss der zweiten Phasenwicklung 110 angeschlossen ist, mit dem niedrigeren Potential der Versorgungsspannung Ud verbinden. Die fünfte Schalteinrichtung T25 der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 kann den dritten Ausgang der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104, an den ein zweiter Anschluss der dritten Phasenwicklung 112 angeschlossen ist, mit dem höheren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden. Die sechste Schalteinrichtung T26 der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 kann den dritten Ausgang der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104, an den der zweite Anschluss der dritten Phasenwicklung 112 angeschlossen ist, mit dem niedrigeren Potential der Versorgungsspannung bzw. Ansteuerspannung Ud verbinden.
Die Schalteinrichtung kann ein Leistungstransistor, beispielsweise ein IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), sein. Über die Anschlüsse der Schalteinrichtung, über die die eigentliche Leistung geschaltet ist, ist eine so genannte Freilaufdiode geschaltet, die unerwünschte Spannungsspitzen und Stromspitzen ableitet. Die Funktionsweise einer derartigen Schaltung ist dem Fachmann bekannt und muss im Sinne der Prägnanz nicht beschrieben werden.
Über den Phasenwicklungen 108, 110, 112 fällt die Spannung Us ab, die der Versorgungsspannung Ud entspricht. Durch die Phasenwicklungen 108, 110, 112 fließt der Strom Is. Die maximale Leistung des Elektromotors beträgt folglich P = 3·Us·Is;
Der Vorteil der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, dass die Leistung des Elektromotors um den Faktor 1,7 verglichen mit einer Sternschaltung erhöht werden kann. Ferner kann ein höheres Anfahrdrehmoment durch günstige Verlustaufteilung realisiert werden. Zusätzlich kann der Zwischenkreiskondensator durch die höhere Impulsanzahl bei maximaler Transistorschaltfrequenz günstiger dimensioniert werden.
Es wird auf 3 Bezug genommen, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die zweite Ausführungsform der Erfindung entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform der Erfindung, mit der Ausnahme, dass die erste Drehfelderzeugungseinrichtung 102 und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung 104 an unterschiedliche Versorgungsspannungen bzw. Ansteuerspannungen angeschlossen sind. Die erste Drehfelderzeugungseinrichtung 102 ist an die Versorgungsspannung Ud1, und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung ist an die zweite Versorgungsspannung Ud2 angeschlossen. Die erste Versorgungsspannung Ud1 und die zweite Versorgungsspannung Ud2 sind mittels Kondensatoren C11, C12, C21, C22 gekoppelt.
Durch die Phasenwicklungen 108, 110, 112 des Elektromotors 106 fließt der Strom Is. Über die Phasenwicklungen 108, 110, 112 fällt die Spannung 0,5·(Ud1 + Ud2) ab. Die Maximalleistung der zweiten Ausführungsform beträgt P = 3·0,5·(Ud1 + Ud2)·Is;
Die Vorteile der zweiten Ausführungsform der Erfindung sind, dass die über die Phasenwicklungen angelegte Spannung konfigurierbar ist. Dadurch lässt sich ein Modus einstellen, der sich für niedrige Drehzahlen eignet und ein Modus einstellen, der sich für hohe Drehzahlen eignet. Ferner können die Schalteinrichtungen der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung 102 und der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 so geschaltet werden, dass sie wechselweise die Phasenwicklungen mit Strom versorgen, wodurch die thermische Belastung der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung 102 und der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung 104 reduziert wird. Die zweite Ausführungsform erlaubt es, zwei Spannungsquellen zu koppeln. Die Teilspannungen Ud1 und Ud2 können gemäß einem Betriebskollektiv frei gewählt werden. Es ergeben sich geringere Wechselrichterverluste durch eine höhere Spannungsaussteuerung in einem breiteren Drehzahlbereich, der auch den niedrigen und mittleren Drehzahlbereich umfasst. Ferner kann wie bei der ersten Ausführungsform ein höheres Anfahrdrehmoment durch günstige Verlustaufteilung realisiert werden. Wie bei der ersten Ausführungsform kann der Zwischenkreiskondensator durch die höhere Impulsanzahl bei maximaler Transistorschaltfrequenz auch günstiger dimensioniert werden.
Die Funktionsweise der der Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf 4 bis 7 beschrieben, die Schaltdiagramme ausgewählter Schalteinrichtungen zeigen. Die Phasenwicklungen des Drehstrommotors werden mit Impulsfolgen versorgt, die im Endeffekt eine Sinuswelle nachbilden. Die 4 bis 7 zeigen einen ersten Modus mit einer ersten Drehrichtung des Elektromotors. Bei der ersten Halbwelle der nachgebildeten Sinuswelle werden die Schalteinrichtungen T11 und T22 gleichzeitig alternierend aktiviert und deaktiviert. Während der zweiten Halbwelle der nachgebildeten Sinuswelle werden die Schalteinrichtungen T12 und T21 gleichzeitig alternierend aktiviert und deaktiviert.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung fließt während der ersten Halbwelle der Strom vom höheren Potential der Versorgungsspannung durch die Phasenwicklung in eine erste Richtung zum niedrigeren Potential der Versorgungsspannung. Während der zweiten Halbwelle fließt der Strom vom höheren Potential der Versorgungsspannung in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, durch die Phasenwicklung zum niedrigeren Potential der Versorgungsspannung.
In den 4 bis 7 wird lediglich die Ansteuerung des ersten Strangs bzw. der ersten Phasenwicklung 108 gezeigt. Es versteht sich, dass die Ansteuerung der zweiten Phasenwicklung 110 mittels der Schalteinrichtungen T13, T14, T23, T24 um 120° versetzt bezogen auf die Ansteuerung der ersten Phasenwicklung 108 erfolgt. Der Ansteuerung der dritten Phasenwicklung 112 erfolgt verglichen zu der in 4 bis 7 gezeigten Ansteuerung der ersten Phasenwicklung 108 um 240° versetzt mittels der Schalteinrichtungen T15, T16, T25, T26.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung fließt bei dem in 4 bis 7 dargestellten ersten Modus während der ersten Halbwelle Strom vom höheren Potential der ersten Ansteuerspannung Ud1 über die erste Phasenwicklung 108 zum niedrigeren Potential der zweiten Versorgungsspannung Ud2. Die über die Phasenwicklung angelegte Spannung Us beträgt 0,5·(Ud1 + Ud2). Während der zweiten Halbwelle der nachgebildeten Sinuswelle fließt der Strom Is vom höheren Potential der zweiten Versorgungsspannung Ud2 zum niedrigeren Potential der ersten Versorgungsspannung Ud1. Die über die Phasenwicklung 108 angelegte Spannung Us beträgt –0,5·(Ud1 + Ud2). Die erste Versorgungsspannung ist höher als die zweite Versorgungsspannung.
Wird die zweite Ausführungsform der Erfindung gemäß dem ersten Modus beschaltet, kann der Elektromotor effizient bei hohen Drehzahlen angesteuert werden, da bei hohen Drehzahlen eine hohe Spannung über die Phasenwicklungen vorteilhaft ist.
Es versteht sich, dass für eine zweite Drehrichtung, die der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist, die Ansteuerung der Schaltelemente T11 bis T22 in umgekehrter Reihenfolge erfolgt, so dass der Strom in umgekehrter Richtung durch die Phasenwicklungen läuft.
Für die Spitzenspannung gilt: 1/√3Ud1 < U ^s < 1/√3(Ud1 + Ud2);
Unter Bezugnahme auf 8 bis 11 wird eine Ansteuerung gemäß des zweiten Modus der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert. Während der ersten Halbwelle der nachgebildeten Sinuswelle wird die Schalteinrichtung T11 alternierend aktiviert und deaktiviert. Gleichzeitig sind die Schalteinrichtungen T21, T23 und T25 aktiviert. Während der zweiten Halbwelle der nachgebildeten Sinuswelle wird die Schalteinrichtung T12 alternierend aktiviert und deaktiviert und gleichzeitig sind die Schalteinrichtungen T22, T24 und T26 aktiviert.
Während der ersten Halbwelle fließt der Strom Is vom höheren Potential der ersten Versorgungsspannung Ud1 durch die ersten Phasenwicklung 108 zum niedrigeren Potential der zweiten Versorgungsspannung Ud2. Während der zweiten Halbwelle der nachgebildeten Sinuswelle fließt der Strom vom niedrigeren Potential der zweiten Versorgungsspannung Ud2 durch die Phasenwicklung 108 zum niedrigeren Potential der ersten Versorgungsspannung Ud1.
Bei der Ansteuerung nach 8 bis 11 erzeugen die Schalteinrichtungen T21, T23, T25 einen künstlichen Sternpunkt, der auf das höhere Potential der zweiten Versorgungsspannung geklemmt wird. Während der zweiten Halbwelle erzeugen die Schalteinrichtungen T22, T24, T26 einen künstlichen Sternpunkt, der auf das niedrigere Potential der zweiten Versorgungsspannung Ud2 geklemmt wird.
Es versteht sich, dass die zweite Phasenwicklung 110 bezogen auf die erste Phasenwicklung 108 mittels der Schalteinrichtungen T13, T14, T23, T24 um 120° versetzt angesteuert wird. Bezogen auf die erste Phasenwicklung 108 wird die dritte Phasenwicklung 112 mittels der Schalteinrichtungen T15, T16, T25, T26 um 240° versetzt angesteuert. Bei der Ansteuerung gemäß dem zweiten Modus, wie in 8 bis 11 gezeigt ist gilt: 1/√3Ud1 > U ^s > 1√3·Ud2; wobei Ud1 > Ud2;
Es versteht sich, dass die Steuerungseinrichtung die Schalteinrichtungen so ansteuern muss, dass zuerst eine negative Halbwelle und dann eine positive Halbwelle erzeugt wird, falls sich der Motor in die andere Richtung drehen soll.
Es wird auf 12 bis 15 Bezug genommen, die eine zweite Möglichkeit zum Ansteuern des Elektromotors gemäß dem zweiten Modus der zweiten Ausführungsform gezeigt wird. Während der ersten Halbwelle wird die Schalteinrichtung T21 alternierend aktiviert und deaktiviert. Gleichzeitig werden alle Phasenwicklungen mittels der Schalteinrichtungen T11, T13, T15 als künstlichen Sternpunkt auf das höhere Potential der ersten Versorgungsspannung Ud1 geklemmt. Während der nachgebildeten zweiten Halbwelle wird die Schalteinrichtung T22 alternierend aktiviert und deaktiviert. Gleichzeitig bleiben die Schalteinrichtungen T12, T14, T16 während der gesamten negativen Halbwelle aktiviert, so dass die Phasenwicklungen auf das niedrigere Potential der ersten Versorgungsspannung als künstlichen Sternpunkt geklemmt werden. Es versteht sich, dass zum Ansteuern der zweiten Phasenwicklung 110 die Ansteuerung der Schalteinrichtungen T23 und T24 um 120° versetzt zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen T21 und T22 erfolgt. Zum Ansteuern der dritten Phasenwicklung 112 erfolgt die Ansteuerung der Schalteinrichtungen T25 und T26 um 240° versetzt bezogen auf die Ansteuerung der Schalteinrichtungen T21 und T22.
Falls sich der Elektromotor in die andere Richtung drehen soll, werden zuerst die negative Halbwelle und anschließend die positive Halbwelle nachgebildet.
Bei der zweiten Ansteuerung gilt für die Spitzenspannung U ^s: U ^s < 1/√3·Ud2;
Der zweite Modus legt eine vergleichsweise niedrige Spannung an die Phasenwicklungen an. Dadurch können thermische Verluste bei niedrigen Drehzahlen reduziert werden und gleichzeitig kann das maximale Drehmoment durch den Motor abgegeben werden. Der zweite Modus eignet sich für niedrige Drehzahlen.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass bei der Kopplung von verteilten Speichern durch überlagerte Gleichtaktaussteuerung der Phasen das Wechselrichtersystem bzw. die Elektromotorsteuerungseinrichtung als leistungselektronisches Koppelelement verwendet werden kann, der die Leistungen zwischen beiden Speichern symmetriert. Damit kann ein in der Regel erforderliches zusätzliches leistungselektronisches Element bei verteilten Speicheranordnungen entfallen. Durch unterschiedliche Spannungsniveaus der Versorgungsspannungen kann eine schnelle Vollaussteuerung der Elektromotorsteuerungseinrichtung erzielt werden und zudem kann entsprechend der elektrischen Frequenz die Stromanstiegsgeschwindigkeit durch mehrere einstellbare Spannungsniveaus (Ud1, Ud2, Ud1 + Ud2) günstig angepasst werden. Dadurch ist eine Verlustreduzierung im Teillastbereich möglich. Ferner kann die Verlustleistung zwischen den Drehfelderzeugungseinrichtungen durch versetztes Takten insbesondere bei niedriger Drehzahl reduziert werden. Durch die Reduktion des Maximalphasenstromes je nach Modus besteht die Möglichkeit, die Kupfermasse in den Leitungen zu reduzieren. Durch den Betrieb des Systems mit in einem Kraftfahrzeug ohnehin schon vorhandenen Spannungsklassen kann eine Erhöhung der Spannungsklassenanzahl vermieden werden.

Claims

Elektromotorsteuerungseinrichtung (100; 200), die dazu ausgebildet ist, einen Elektromotor (106) anzusteuern, der zumindest drei Phasenwicklungen (108, 110, 112) aufweist, wobei jede Phasenwicklung einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, mit – einer ersten Drehfelderzeugungseinrichtungen (102), die dazu ausgebildet ist, ein sich drehendes Feld zu erzeugen, wenn die zumindest drei Phasenausgänge der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) an die Phasenwicklungen (108, 110, 112) des Elektromotors (106) angeschlossen sind; – einer zweiten Drehfelderzeugungseinrichtungen (104), die dazu ausgebildet ist, ein sich drehendes Feld zu erzeugen, wenn die zumindest drei Phasenausgänge der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung an die Phasenwicklungen (108, 110, 112) des Elektromotors (106) angeschlossen sind; wobei der erste Anschluss jeder der Mehrzahl von Phasenwicklungen (108, 110, 112) an die erste Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und der zweite Anschluss jeder der Mehrzahl von Phasenwicklungen (108. 110, 112) an die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung (104) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehfelderzeugungseinrichtung (102) an eine erste Versorgungsspannung (Ud1) und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung (104) an eine zweite Versorgungsspannung (Ud2) angeschlossen ist, wobei – die erste Versorgungsspannung (Ud1) und die zweite Versorgungsspannung (Ud2) unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen und dass bei einem ersten Betriebsmodus der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) die Spitzenspannung U ^s an einer Phasenwicklung (108, 110, 112) zwischen 1/√3 multipliziert mit der ersten Versorgungsspannung (Ud1) und 1/√3 multipliziert mit der Summe der ersten Versorgungsspannung (Ud1) und der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) beträgt, bei einem zweiten Betriebsmodus der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) die Spitzenspannung U ^s an einer Phasenwicklung (108, 110, 112) zwischen 1/√3 multipliziert mit der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) und 1/√3 multipliziert mit der ersten Versorgungsspannung (Ud1) beträgt und bei einem dritten Betriebsmodus der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) die Spitzenspannung U ^s an einer Phasenwicklung (108, 110, 112) kleiner als 1/√3 multipliziert mit der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) beträgt wobei jeder Phasenausgang der ersten Drehfeldeinrichtung (102) und der zweiten Drehfeldeinrichtung (104) mit einer ersten Schalteinrichtung (T11, T13, T15, T21, T23, T25) gekoppelt ist, die bei deren Aktivierung den jeweiligen Phasenausgang mit dem höheren Potential einer jeweiligen Versorgungsspannung (Ud1, Ud2) verbinden kann, und dass jeder Phasenausgang mit einer zweiten Schalteinrichtung (T12, T14, T16, T22, T24, T26) gekoppelt ist, die bei deren Aktivierung den jeweiligen Phasenausgang mit dem niedrigeren Potential der jeweiligen Versorgungsspannung (Ud1, Ud2) koppeln kann, wobei die Elektromotorsteuerungseinrichtung (100; 200) eine Steuerungseinrichtung (114) aufweist, die dazu ausgebildet ist, – wobei während des ersten Modus – während eines ersten Teilzyklus die mit einer vorbestimmten Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelte erste Schalteinrichtung (T11, T13, T15) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) zumindest einmal alternierend zu aktivieren und zu deaktivieren und – gleichzeitig die mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelte zweite Schalteinrichtungen (T22, T24, T26) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (204) zumindest einmal alternierend zu aktivieren und zu deaktivieren, wobei die erste Schalteinrichtung (T11, T13, T15) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und die zweite Schalteinrichtungen (T22, T24, T26) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) gleichzeitig aktiviert werden, und – anschließend während eines zweiten Teilzyklus die mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelte zweite Schalteinrichtung (T12, T14, T16) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) zumindest einmal alternierend zu aktivieren und zu deaktivieren und gleichzeitig die mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelte erste Schalteinrichtung (T21, T23, T25) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) zumindest einmal alternierend zu aktivieren und zu deaktivieren, wobei die zweite Schalteinrichtung (T12, T14, T16) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und die erste Schalteinrichtung (T21, T23, T25) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung gleichzeitig aktiviert werden und wobei der erste Teilzyklus und zweite Teilzyklus des ersten Modus zeitlich versetzt für alle an die Elektromotorsteuerungseinrichtung (100; 200) angeschlossenen Phasenwicklungen (108, 110, 112) durchgeführt werden, – wobei während des zweiten Modus in einem ersten Teilzyklus eine mit einer vorbestimmten Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelte erste Schalteinrichtung (T11, T13, T15) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) zumindest einmal alternierend zu aktivieren und zu deaktivieren und gleichzeitig alle ersten Schalteinrichtungen (T21, T23, T25) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104), die an Phasenwicklungen angeschlossen sind, während des ersten Teilzyklus einen künstlichen Sternpunkt mit dem höheren Potential der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) bilden, und anschließend während eines zweiten Teilzyklus die mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelte zweite Schalteinrichtung (T12, T14, T16) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) zumindest einmal alternierend zu aktivieren und zu deaktivieren und gleichzeitig die alle zweiten Schalteinrichtungen (T22, T24, T26) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104), die an Phasenwicklungen angeschlossen sind, während des zweiten Teilzyklus einen künstlichen Sternpunkt an dem niedrigeren Potential der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) bilden, wobei der erste Teilzyklus und zweite Teilzyklus des zweiten Modus zeitlich versetzt für alle an die Elektromotorsteuerungseinrichtung (100; 200) angeschlossenen Phasenwicklungen (108, 110, 112) durchgeführt werden, und – wobei während des dritten Modus in einem ersten Teilzyklus eine mit einer vorbestimmten Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelte ersten Schalteinrichtung (T21, T23, T25) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) zumindest einmal alternierend zu aktivieren und zu deaktivieren und gleichzeitig alle ersten Schalteinrichtungen (T11, T13, T15) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (1024), die an Phasenwicklungen angeschlossen sind, während des ersten Teilzyklus einen künstlichen Sternpunkt mit dem höheren Potential der ersten Versorgungsspannung (Ud1) bilden und anschließend während eines zweiten Teilzyklus die mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelte zweite Schalteinrichtung (T12, T14, T16) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) zumindest einmal alternierend zu aktivieren und zu deaktivieren und gleichzeitig alle zweiten Schalteinrichtungen (T22, T24, T26) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102), die an Phasenwicklungen angeschlossen sind, während des gesamten zweiten Teilzyklus einen künstlichen Sternpunkt an dem höheren Potential der ersten Versorgungsspannung (Ud1) bilden, wobei der erste Teilzyklus und zweite Teilzyklus des zweiten Modus für alle an die Elektromotorsteuerungseinrichtung (100; 200) angeschlossenen Phasenwicklungen (108, 110, 112) durchgeführt werden.
Elektromotorsteuerungseinrichtung (100; 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und die zweite Drehfelderzeugungseinrichtung (104) das Drehfeld mittel Impulsbreitenmodulation erzeugen.
Antriebsystem, mit – einem Antriebsmotor (106) und – einer Elektromotorsteuerungseinrichtung (100; 200) nach Anspruch 1 oder 2.
Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Versorgungsspannung (Ud1) und die zweite Versorgungsspannung (Ud2) Zwischenkreisspannungen sind.
Verfahren zum Ansteuern eine Elektromotors (106) mit zumindest drei Phasenwicklungen (108, 110, 112) mit je einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Alternierendes Verbinden des ersten Anschlusses jeder der Phasenwicklungen mit einem höheren Potential einer ersten Versorgungsspannung und einem niedrigeren Potential einer ersten Versorgungsspannung; und – Alternierendes Verbinden des zweiten Anschlusses jeder der Phasenwicklungen mit einem höheren Potential einer zweiten Versorgungsspannung und einem niedrigeren Potential einer zweiten Versorgungsspannung, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Versorgungsspannung (Ud1) und die zweite Versorgungsspannung (Ud2) unterschiedliche Spannungsniveaus aufweisen und dass bei einem ersten Betriebsmodus die Spitzenspannung U ^s an einer Phasenwicklung (108, 110, 112) zwischen 1/√3 multipliziert mit der ersten Versorgungsspannung (Ud1) und 1/√3 multipliziert mit der Summe der ersten Versorgungsspannung (Ud1) und der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) beträgt, bei einem zweiten Betriebsmodus die Spitzenspannung U ^s an einer Phasenwicklung (108, 110, 112) zwischen 1/√3 multipliziert mit der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) und 1/√3 multipliziert mit der ersten Versorgungsspannung (Ud1) beträgt und bei einem dritten Betriebsmodus der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) die Spitzenspannung U ^s an einer Phasenwicklung (108, 110, 112) kleiner als 1/√3 multipliziert mit der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) beträgt, ferner aufweisend die folgenden Schritte während des ersten Modus während eines ersten Teilzyklus: – Zumindest einmal alternierend Aktivieren und Deaktivieren einer mit einer vorbestimmten Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelten erste Schalteinrichtung (T11, T13, T15) einer ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102), die die Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem höheren Potential der ersten Versorgungsspannung (Ud1) koppelt, und – Gleichzeitig zumindest einmal alternierend Aktivieren und Deaktivieren einer mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelten zweiten Schalteinrichtung (T12, T14, T16) einer zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104), die die gleiche Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem niedrigeren Potential der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) koppelt, wobei die erste Schalteinrichtung (T11, T13, T15) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102) und die zweite Schalteinrichtung (T22, T24, T26) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104) gleichzeitig aktiviert werden, und – Anschließend während eines zweiten Teilzyklus des ersten Modus durchführen der folgenden Schritte: – Zumindest einmal alternierend Aktivieren und Deaktivieren der mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelten zweiten Schalteinrichtung (T12, T14, T16) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102), die die Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem niedrigeren Potential der ersten Versorgungsspannung (Ud1) koppelt, und – Gleichzeitig Aktivieren und Deaktivieren der mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelten ersten Schalteinrichtung (T21, T23, T25) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104), die die gleiche Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem höheren Potential der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) koppelt; und – Durchführen der Schritte des ersten Teilzyklus und des zweiten Teilzyklus des ersten Modus zeitlich versetzt für alle Phasenwicklungen (108, 110, 112) des Elektromotors (106); – ferner aufweisend die folgenden Schritte während des zweiten Modus während eines ersten Teilzyklus: – Zumindest einmal alternierend Aktivieren und Deaktivieren einer mit einer vorbestimmten Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelten erste Schalteinrichtung (T11, T13, T15) einer ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102), die die Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem höheren Potential der ersten Versorgungsspannung (Ud1) koppelt, und – Erzeugen eines künstlichen Sternpunktes mit dem höheren Potential der zweiten Versorgungspannung (Ud2) mittels der ersten Schalteinrichtungen (T21, T23, T25) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104), die die Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem höheren Potential der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) koppelt, während des ersten Teilzyklus, und – Anschließend während eines zweiten Teilzyklus des zweiten Modus durchführen der folgenden Schritte: – Zumindest einmal alternierend Aktivieren und Deaktivieren der mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelten zweiten Schalteinrichtung (T12, T14, T16) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102), die die gleiche Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem niedrigeren Potential der ersten Versorgungsspannung (Ud1) koppelt, und – Erzeugen eines künstlichen Sternpunktes mit dem niedrigeren Potential der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) mittels der zweiten Schalteinrichtungen (T22, T24, T26) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104), die die gleiche Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem niedrigeren Potential der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) koppelt während des zweiten Teilzyklus; und – Durchführen der Schritte des ersten Teilzyklus und des zweiten Teilzyklus des ersten Modus zeitlich versetzt für alle Phasenwicklungen (108, 110, 112) des Elektromotors (106); und – ferner aufweisend die folgenden Schritte während eines dritten Modus während eines ersten Teilzyklus: – Zumindest einmal alternierend Aktivieren und Deaktivieren der mit einer vorbestimmten Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelten erste Schalteinrichtung (T21, T23, T25) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104), die die Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem höheren Potential der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) koppeln, und – Erzeugen eines künstlichen Sternpunktes mit dem höheren Potential der ersten Versorgungsspannung (Ud1) mittels der ersten Schalteinrichtungen (T11, T13, T15) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102), die die Phasenwicklungen (108, 110, 112) mit dem höheren Potential der ersten Versorgungsspannung (Ud1) koppeln, während des ersten Teilzyklus; und – anschließend in einem zweiten Teilzyklus durchführen der folgenden Schritte: – Zumindest einmal alternierend Aktivieren und Deaktivieren der mit der gleichen Phasenwicklung (108, 110, 112) gekoppelten zweiten Schalteinrichtung (T22, T24, T26) der zweiten Drehfelderzeugungseinrichtung (104), die die Phasenwicklung (102) mit dem niedrigen Potential der zweiten Versorgungsspannung (Ud2) koppeln, und – Erzeugen eines künstlichen Sternpunktes mit dem niedrigeren Potential der ersten Versorgungsspannung mittels der zweiten Schalteinrichtungen (T12, T14, T16) der ersten Drehfelderzeugungseinrichtung (102), die die Phasenwicklung (108, 110, 112) mit dem niedrigeren Potential der ersten Versorgungsspannung (Ud1) koppeln, während des zweiten Teilzyklus; und – Durchführen der Schritte des ersten Teilzyklus und des zweiten Teilzyklus des zweiten Modus zeitlich versetzt für alle Phasenwicklungen (108, 110, 112) des Elektromotors (106).