WO2018019944A1

WO2018019944A1 - Antriebsumrichter für geschaltete reluktanzmaschine

Info

Publication number: WO2018019944A1
Application number: PCT/EP2017/069026
Authority: WO
Inventors: Rik W. De Doncker; Silvano TARABORRELLI
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2018-02-01
Anticipated expiration: 2019-01-29
Also published as: DE102016214103A1

Abstract

Die Erfindungbetrifft einen Antriebumrichter (11) für eine geschaltete Reluktanzmaschine (12) mit einer bestimmten Anzahl an Phaseneingängen (ph1, ph2, ph3, ph4) und ein System (13) aus diesem Antriebsumrichter (11) und der Reluktanzmaschine (12).Der Antriebsumrichterumfasst ein Eingangsteil (11a) zum Anschluss an eine Spannungsquelle (7) und zur Versorgung eines Ausgangsteils (11b) des Antriebsumrichters (11), der zum Anschluss an die Reluktanzmaschine (12) vorgesehen ist, mit einer Wechselspannung mit ein oder mehreren Phasen (Itr1, Itr2, Itr3), wobei das Ausgangsteil (11b) durch ein oder mehrere Frequenzumrichter (10) gebildet wird, wobei jeder der Frequenzumrichter (10) durch die ein oder mehreren Phasen der Wechselspannung (Itr1, Itr2, Itr3) gespeist wird und die Anzahl der Frequenzumrichter (10) auf die Anzahl der Phaseneingänge (ph1, ph2, ph3, ph4) der Reluktanzmaschine (12) angepasst ist.

Description

Antriebsumrichter für geschaltete Reluktanzmaschine

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antriebsumrichter für eine geschaltete Reluktanzmaschine und auf ein System aus diesem Antriebsumrichter und der Reluktanzmaschine.

Hintergrund der Erfindung

Eine Reluktanzmaschine wie beispielsweise ein Reluktanzmotor ist eine Bauform eines Elektromotors, bei dem das Drehmoment im Rotor ausschließlich durch die Reluktanzkraft erzeugt wird. Der Rotor besitzt ausgeprägte Pole und besteht aus einem hochpermeablen, weichmagnetischen Material. Geschaltete

Reluktanzmaschinen haben eine unterschiedliche Anzahl ausgeprägter Zähne an Rotor und Stator. Die Statorzähne sind mit Spulen bewickelt, die abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Die Zähne mit den bestromten Wicklungen ziehen jeweils die nächstgelegenen Zähne des Rotors wie ein Elektromagnet an und werden abgeschaltet, wenn (oder kurz bevor) die Zähne des Rotors den sie anziehenden Statorzähnen gegenüberstehen. In dieser Position wird die nächste Phase auf anderen Statorzähnen eingeschaltet, die andere Rotorzähne anziehen. Im Allgemeinen hat ein geschalteter Reluktanzmotor drei oder mehr Phasen. Es gibt aber auch Sonderbauformen mit nur zwei oder einer Phase. Um im richtigen Zeitpunkt umzuschalten, wird die Maschine in der Regel mit einem

Rotorlagegeber versehen. Es gibt aber auch lagergeberlose Steuerverfahren anhand des Statorstroms oder des Drehmomentes. Reluktanzmaschinen (- motoren) dieser Bauart zeichnen sich durch hohe Robustheit und einen geringen Bauaufwand aus. Wie Asynchronmaschinen bilden sie im unbestromten Zustand bei Drehung kein Drehmoment aus. Eine Restmagnetisierung führt oft dennoch zu einem kleinen Rastmoment im stromlosen Zustand. Bei niedrigen Drehzahlen sind sie den Asynchronmaschinen bezüglich Drehmomentdichte aufgrund der hohen herstellbaren Polpaarzahlen überlegen, bei höheren deutlich unterlegen.

Die Antriebsumrichter für eine solche Reluktanzmaschine zur gezielten Bestromung der Statorzähne waren früher üblicherweise asymmetrische

Halbbrücken-Umrichter wie in Fig.1 dargestellt. Ein solcher Umrichter wird mit einer Gleichspannung V_Dc gespeist. Diese Spannung V_Dc ist bei

Vernachlässigung eines Spannungsabfalls über den Schaltern die maximale Spannung, die an die Wicklungen der Reluktanzmaschine angelegt werden kann. Die Anzahl an Phasen ist dabei nicht auf die drei in Fig.1 gezeigten Phasen ph1 , ph2 und ph3 limitiert und kann je nach Anwendung beliebig variieren. Die

Versorgungsgleichspannung V_Dc wird üblicherweise über einen Gleichrichter angeschlossen an eine Stromversorgung bereitgestellt. In vielen Anwendungen korrespondiert das verfügbare Spannungsniveau, beispielsweise bei

Gleichspannungsquellen, mit der benötigten Phasen-Spannung. Daher wird ein Umrichter benötigt, der beide Spannungsniveaus (Versorgungsspannung und benötigte Phasenspannung) anpasst. Bei hohen Spannungsverhältnissen wird typischerweise ein Hochfrequenztransformator eingesetzt, wodurch eine galvanische Trennung vorhanden ist.

Für einen Antriebsumrichter mit bidirektionaler Topologie und galvanischer Trennung kann man eine sogenannte Dual-Active-Bridge für die

Stromversorgungsseite und einen asymmetrischen Halbbrücken-Umrichter zur Versorgung der Reluktanzmaschine verwenden. Die Dual-Active-Bridge arbeitet als bidirektionaler DC-DC-Umrichter und stellt das benötigte Spannungsniveau für den Halbbrücken-Umrichter bereit, siehe Fig.2 mit Spannungsversorgung 1 , Eingangs-Wechselrichter 2, Transformator 3, ein zweiter Wechselrichter 4, eine Filter-Kondensator 5 und ein asymmetrischer Halbbrücken-Umrichter 6. Hierbei bilden die Komponenten 2, 3 und 4 die sogenannte Dual-Active-Bridge und die Komponenten 5 und 6 den asymmetrischen Halbbrücken-Umrichter zum

Anschluss an die Reluktanzmaschine. Hierbei können die Komponenten 1 und 2 durch eine Wechselspannungsquelle mit geeigneter Amplitude ersetzt werden. Der Transformator 3 erlaubt hohe Übersetzungsverhältnisse und stellt die galvanische Trennung sicher. Die Umrichter 2 und 4 erlauben einen

bidirektionalen Leistungsfluss. Der Umrichter 4 kann dabei auch durch einen Diodengleichrichter ersetzt werden, sofern ein bidirektionaler Leistungsfluss nicht benötigt oder gewünscht wird. Der Kondensator 5 glättet dabei die Spannung über den Umrichter 4 und den asymmetrischen Halbbrücken-Umrichter 6. Obwohl der Antriebsumrichter nach Fig.2 mit drei Phasen gezeigt ist, kann dieser auch für eine oder mehrere Phase angepasst werden. Der Antriebumrichter nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass dessen Topologie eine große Menge an Komponenten zur Leitung des Stroms benötigt. Der Strompfad vom Transformator 3 zur Phase der Reluktanzmaschine umfasst hier vier hintereinander angeordnete Komponenten, die aufgrund ihrer Anzahl zu hohen Leitungs- und Umschaltverlusten führen. Des Weiteren führt die hohe Anzahl an hartschaltenden Komponenten dazu, dass der so ausgestaltete

Antriebsumrichter eine ernsthafte elektromagnetische Störgröße darstellt.

Es wäre wünschenswert, einen Antriebsumrichter mit einer Topologie zur

Verfügung zu haben, der zumindest die voranstehend aufgeführten Nachteile des Stands der Technik beseitigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antriebsumrichter zur Verfügung zu stellen, der geringe Leitungs- und Umschaltverluste aufweist und keine ernsthafte elektromagnetische Störungsquelle mehr darstellt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Antriebsumrichter für eine geschaltete Reluktanzmaschine mit einer bestimmten Anzahl an Phaseneingängen, umfassend einen Eingangsteil zum Anschluss an eine Spannungsquelle und zur Versorgung eines Ausgangsteils des Antriebsumrichters, der zum Anschluss an die Reluktanzmaschine vorgesehen ist, mit einer Wechselspannung mit ein oder mehreren Phasen, wobei das Ausgangsteil durch ein oder mehrere

Frequenzumrichter gebildet wird, wobei jeder der Frequenzumrichter durch die ein oder mehreren Phasen der Wechselspannung gespeist wird und die Anzahl der Frequenzumrichter auf die Anzahl der Phaseneingänge der Reluktanzmaschine angepasst ist und jeder der Frequenzumrichter dazu vorgesehen ist, einen der Phaseneingänge zu speisen. Der erfindungsgemäße Antriebsumrichter ist sowohl an Gleichspannungs- (DC) als auch an Wechselspannung-(AC)-Spannungsquellen anschließbar, wobei bei einer geeigneten AC-Spannungsquelle das Eingangsteil des Antnebsumrichters direkt an die AC-Spannungsquelle, beispielsweise das Versorgungsstromnetz, angeschlossen werden kann. Die Anzahl an Frequenzumrichtern entspricht der Anzahl der Phaseneingänge der Reluktanzmaschine, wobei ein Phaseneingang ein oder mehrere Phasen versorgen kann. Hierbei können beispielsweise mehrerer Phasen der Reluktanzmaschine als gemeinsamer Phaseneingang an einen einzelnen Frequenzumrichter angeschlossen sein. In einer

Ausführungsform ist jeder der Frequenzumrichter an eine einzelne Phase der Reluktanzmaschine angeschlossen. Die Anzahl der Phasen der

Reluktanzmaschine können dabei von Anwendung zu Anwendung variieren. Der erfindungsgemäße Antriebsumrichter kann für eine beliebige Anzahl an Phasen beziehungsweise Phaseneingängen der Reluktanzmaschine benutzt werden. Als Eingangsteil des Antriebsumrichters wird der Teil bezeichnet, an den die Strombeziehungsweise Spannungsquelle (Wechselspannungs- oder

Gleichspannungsquelle) angeschlossen ist. Als Ausgangsteil wird der Teil des Antriebsumrichters bezeichnet, an den die Reluktanzmaschine angeschlossen ist. Zwischen Eingangs- und Ausgangsteil kann ein Transformator angeordnet sein.

Die Verwendung eines oder mehrerer Frequenzumrichter löst die Nachteile des Stands der Technik, indem die Frequenzumrichter lediglich eine geringe Anzahl an Schaltern zur Versorgung der Reluktanzmaschine benötigen und weitere Komponenten auf der Ausgangsseite des Antriebsumrichters nicht benötigt werden, insbesondere keine Kombination aus einem Wechselrichter, einem Filter- Kondensator und einem asymmetrischen Halbbrücken-Umrichter. Somit umfasst der Strompfad zwischen Transformator und geschalteter Reluktanzmaschine nur wenige Komponenten, was Leitungs- und Umschaltverluste reduziert. Des

Weiteren führt die geringe Anzahl an hartschaltenden Komponenten beim erfindungsgemäßen Antriebsumrichter zu einer Reduzierung möglicher

elektromagnetischer Störungen. In einer Ausführungsform ist dabei der

Frequenzumrichter ein gesteuerter Gleichrichter. Die Frequenzumrichter sind zudem wie ein Halbbrücken-Umrichter in der Lage, die Induktivität der Phase der geschalteten Reluktanzmaschine zu magnetisieren und zu de-magnetisieren und so die in der Induktivität zwischengespeicherte Energie wieder rückzugewinnen.

In einer Ausführungsform umfasst der Frequenzumrichter pro eingespeister Phase zwei Schalter zur Versorgung des an den Frequenzumrichter

angeschlossenen Phaseneingangs der Reluktanzmaschine. Somit umfasst der Strompfad zwischen Eingangsteil und geschalteter Reluktanzmaschine eine Minimalzahl von zwei Schaltern pro Strompfad, was Leitungs- und

Umschaltverluste minimiert. Des Weiteren führt die minimale Anzahl an hartschaltenden Komponenten beim erfindungsgemäßen Antriebsumrichter zu einer Minimierung des elektromagnetischen Störeffekts durch den

erfindungsgemäßen Antriebsumrichter. In einer Ausführungsform sind die Schalter dabei Thyristoren oder andere bidirektionale sperrende Bauteile wie Reverse Blocking IGBT oder Konstrukte wie zwei gegensätzlich geschaltete MOSFETs, MOSFETs in Serie mit einer Diode oder ein IGBT in Serie mit einer Diode, sodass man in beide Richtung eine Sperrung erhält, die zyklisch geschaltet werden. Hierbei kann in einer weiteren Ausführungsform ein

Stromprofil am Ausgang der Frequenzumrichter zu den Phaseneingängen der Reluktanzmaschine mittels des Zündwinkels der Thyristoren eingestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Frequenzumrichter mindestens einen Snubber-Kondensator. Hiermit lässt sich die Ausgangsspannung glätten.

In einer Ausführungsform umfasst der Eingangsteil einen zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle vorgesehenen Eingangs-Wechselrichter mit ein oder mehreren Phasen und einen Transformator mit ein oder mehreren Phasen angeschlossen an die Frequenzumrichter des Ausgangsteils. Diese Anordnung wird beispielsweise dann verwendet, wenn der Antriebsumrichter an eine

Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, da zur Einstellung der

Ausgangsspannung am Ausgangsteil die Transformation im Wechselstrommodus mittels eines Transformators vorgenommen wird und somit der Eingangs- Gleichstrom zuerst in einem Wechselstrom umgewandelt werden muss. Der Eingangswechselrichter umfasst zur Umwandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung mehrere geeignet angeordnete Schalter. Hiermit kann der Transformator im Antriebsumrichter bei einer gewünschten Wechselspannung mit gewünschter Frequenz betrieben werden, da nun der Eingangsteil nicht mehr von der Wechselspannung der Spannungsquellen gespeist wird und somit auch nicht mehr von dieser abhängt. Hierbei ist die Dynamik der Stromumschaltung zwischen den Schaltern (z.B. Thyristoren oder andere bidirektionale sperrende Schalter) der Frequenzumrichter nur durch die Streuinduktivität des

Transformators begrenzt.

In einer Ausführungsform ist der Eingangs-Wechselrichter dazu ausgestaltet, in einem Puls-Breite-Modulations-Modus zur Erzeugung eines sinusoidalen Stroms oder in einem sogenannten Block-Modus betrieben zu werden. Der Block-Modus liefert dabei eine dreiphasige Rechteck-Wechselspannung mit einem

Phasenunterschied von 120 Grad zwischen den Phasen, die in die

Frequenzumrichter eingespeist werden. In einer Ausführungsform arbeitet der Eingangs-Wechselrichter bei Frequenzen, die unterschiedlich zur Netzfrequenz eines Stromnetzes sind. Ein solcher Betrieb wird durch einen Anschluss an eine Gleichstromquelle ermöglicht, da hier der Eingangsstrom durch den Wechselrichter in eine gewünschte Wechselspannung mit gewünschter Frequenz umgerichtet werden kann. In einer Ausführungsform ist dabei die Frequenz des Eingangs-Wechselrichters höher als die Netzfrequenz des Stromnetzes. Dadurch wird die Welligkeit des Stroms in den

Ausgangsphasen reduziert, eine höhere Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors in der Reluktanzmaschine erlaubt und eine höhere Kontrollbandbreite ermöglicht. Grundsätzlich kann der Antriebsumrichter im weichschaltenden Bereich betrieben werden, um die Schaltverluste zu minimieren In einer weiteren Ausführungsform sind die Lastschalter des Eingangs-Wechselrichters so ausgestaltet, dass sie ein hartes Ein- und Ausschalten ermöglichen, da die erfindungsgemäße Topologie weniger Komponenten umfasst und somit die Schaltverluste im hartschaltenden Bereich geringer sind als bei Topologien gemäß dem Stand der Technik.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Eingangs-Wechselrichter

Snubber-Kondensatoren für ein weiches Ein- und Ausschalten der Schalter im Eingangs-Wechselrichter. Dadurch werden die Schaltverluste des

Wechselrichters bei einem weichen Schalten reduziert.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System aus einer geschalteten

Reluktanzmaschine und einem an die Reluktanzmaschine angeschlossenen erfindungsgemäßen Antriebsumrichter zur elektrischen Versorgung der

Reluktanzmaschine. Damit lässt sich das System mit geringeren Leitungs- und Umschaltverluste betrieben. Des Weiteren stellt das System nur noch eine gegenüber dem Stand der Technik reduzierte elektromagnetische Störgröße dar. In einer Ausführungsform ist dabei die Anzahl der Phasen der Reluktanzmaschine gleich der Anzahl der Frequenzumrichter. In einer alternativen Ausführungsform sind zwei oder mehrere Phasen der Reluktanzmaschine zu einem gemeinsamen Phaseneingang für den jeweiligen Frequenzumrichter zusammengeschlossen. Solche Systeme können beispielsweise in Autoantrieben, Blockheizkraftwerken, Wärmepumpen, Verdichtern, für schnelldrehende Maschinen wie beispielsweise Fräsen, Stromaggregate oder Turbinen verwendet werden.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Reluktanzmaschine als Motor oder Generator betrieben. Im Falle der Reluktanzmaschine als Generator fließt der Strom im Frequenzumrichter in dieselbe Richtung wie im Falle der

Reluktanzmaschine als Motor, die Spannung ist aber gegenüber der

Reluktanzmaschine als Motor invertiert und der Leistungsfluss fließt in die entgegengesetzte Richtung. Kurze Beschreibung der Abbildungen

Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt: Topologie eines Antriebumrichters nach dem Stand der Technik mit asymmetrischen Halbbrücken-Umrichtern;

Gegenwärtige Standard-Topologie eines Antriebumrichters mit einer sogenannten Dual-Active-Bridge und einem asymmetrischen Halbbrücken-Umrichter;

ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebumrichters für eine Reluktanzmaschine zum Anschluss an eine geeignete Wechselspannungsquelle;

ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebumrichters für eine Reluktanzmaschine zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle;

ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Reluktanzmaschine und einem an die Reluktanzmaschine

angeschlossen Antriebumrichter;

Phasenstrom in einer vier-phasigen geschalteten Reluktanzmaschine; der Phasenstrom gemäß Fig.7 in einem vergrößerten Ausschnitt;

Transformatorstrom in einem erfindungsgemäßen Antriebsumrichter nach Fig.4 für eine vier-phasige geschaltete Reluktanzmaschine;

der Transformatorstrom gemäß Fig.9 in einem vergrößerten Ausschnitt.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig .1 zeigt eine Topologie eines Antriebumrichters PA1 nach dem Stand der Technik mit asymmetrischen Halbbrücken-Umrichtern. Der Umrichter PA1 wird mit einer Gleichspannung V_Dc gespeist. Diese Spannung V_Dc ist bei

Versorgungsspannung V_Dc wird üblicherweise über einen Gleichrichter

angeschlossen an eine Stromversorgung bereitgestellt. In vielen Anwendungen korrespondiert das verfügbare Spannungsniveau, beispielsweise bei DC- Spannungsquellen, mit der benötigten Phasen-Spannung. Daher wird ein

Umrichter benötigt, der beide Spannungsniveaus (Versorgungsspannung und benötigte Phasenspannung) anpasst. Außerdem benötigt ein hohes

Spannungsverhältnis zwischen beiden Spannungsniveaus eine galvanische Trennung, die in der Topologie des Antriebsumrichters PA1 nicht vorhanden ist.

Fig.2 zeigt eine gegenwärtige Standard-Topologie eines Antriebumrichters PA2 angeschlossen an eine Spannungsversorgung 1 mit einer sogenannten Dual- Active-Bridge und einem asymmetrischen Halbbrücken-Umrichter zur Versorgung der Reluktanzmaschine. Diese Standard-Topologie PA2 umfasst einen Eingangs- Wechselrichter 2, einen Transformator 3, einen zweiten Wechselrichter 4, einen Filter-Kondensator 5 und einen asymmetrischer Halbbrücken-Umrichter 6. Hierbei bilden die Komponenten 2, 3 und 4 die sogenannte Dual-Active-Bridge und die Komponenten 5 und 6 den asymmetrischen Halbbrücken-Umrichter zum

Anschluss an die Reluktanzmaschine. Die Dual-Active-Bridge 2, 3, 4 arbeitet als bidirektionaler DC-DC-Umrichter und stellt das benötigte Spannungsniveau für den Halbbrücken-Umrichter 6 bereit. Hierbei können die Komponenten 1 und 2 durch eine Wechselspannungsquelle mit geeigneter Amplitude ersetzt werden. Der Transformator 3 kann für hohe Übersetzungsverhältnisse der

Spannungsniveaus ausgelegt werden und stellt die galvanische Trennung sicher. Die Umrichter 2 und 4 erlauben einen bidirektionalen Leistungsfluss. Der

Umrichter 4 kann dabei auch durch einen Diodengleichrichter ersetzt werden, sofern ein bidirektionaler Leistungsfluss nicht benötigt oder gewünscht wird. Der Kondensator 5 glättet dabei die Spannung über der Umrichter 4 und den asymmetrischen Halbbrücken-Umrichter 6. Obwohl der Antriebsumrichter PA2 in Fig.2 mit drei Phasen ph1 , ph2, ph3 gezeigt ist, kann dieser auch für eine oder mehrere Phase angepasst werden. Der Antriebumrichter PA2 nach dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass dessen Topologie eine große Menge an

Komponenten 2 - 6 zur Leitung des Stroms benötigt. Der Strompfad vom

Transformator 3 zur Phase ph1 , ph2, ph3 der Reluktanzmaschine umfasst hier vier hintereinander angeordnete Komponenten 3 - 6, die aufgrund ihrer Anzahl zu hohen Leitungs- und Umschaltverlusten führen. Des Weiteren führt die hohe Anzahl an hartschaltenden Komponenten dazu, dass der Antriebsumrichter PA2 eine ernsthafte elektromagnetische Störgröße darstellt.

Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebumrichters 1 1 zum Anschluss an eine geeignete Spannungsquelle 7, in diesem Beispiel eine Wechselspannungsquelle. Der Antriebsumrichter 1 1 umfasst ein Eingangsteil 1 1 a zum Anschluss an die Wechselspannungsquelle 7 mit einer Wechselspannung mit drei Phasen Itr1 , Itr2, Itr3 und zur Versorgung des Ausgangsteils 1 1 b des Antriebsumrichters 1 1 , der zum Anschluss an die Reluktanzmaschine 12 vorgesehen ist, wobei das Ausgangsteil 1 1 b in diesem Beispiel durch vier Frequenzumrichter 10 gebildet wird, wobei jeder der Frequenzumrichter 10 durch die drei Phasen der Wechselspannung Itr1 , Itr2, Itr3 gespeist wird und die Anzahl der Frequenzumrichter 10 (hier vier) gleich der Anzahl der vier Phaseneingänge ph1 , ph2, ph3, ph4 der Reluktanzmaschine 12 ist und jeder der

Frequenzumrichter 10 einen der Phaseneingänge ph1 , ph2, ph3, ph4 speist. DA die Spannungsquelle 7 bereits Wechselspannung bereitstellt, braucht das

Eingangsteil 1 1 a in diesem Fall keinen Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung umfassen. Die Anzahl„vier" der Phaseneingänge kann in anderen Ausführungsformen auch eine andere Anzahl betragen. Entsprechend wird die Anzahl der Frequenzumrichter 10 im Ausgangsteil 1 1 b angepasst. Die hier gezeigten Frequenzumrichter 10 umfassen pro eingespeister Phase Itr1 , Itr2, Itr3 zwei Schalter 10a zur Versorgung des jeweils an den Frequenzumrichter 10 angeschlossenen Phaseneingang ph1 , ph2, ph3, ph4 der Reluktanzmaschine 12. Somit umfasst der Strompfad zwischen Eingangsteil 1 1 a und geschalteter Reluktanzmaschine eine Minimalzahl von zwei Schaltern 10a pro Strompfad, was Leitungs- und Umschaltverluste minimiert. Des Weiteren führt die minimale Anzahl an hartschaltenden Komponenten 10a beim erfindungsgemäßen

Antriebsumrichter 1 1 zu einer Minimierung des elektromagnetischen Störeffekts durch den erfindungsgemäßen Antriebsumrichter 1 1 . In einer Ausführungsform sind die Schalter 10a dabei Thyristoren, die zyklisch geschaltet werden. In einer anderen Ausführungsform können anstelle von Thyristoren auch andere bidirektionale sperrende Bauteile wie Reverse Blocking IGBT oder Konstrukte wie zwei gegensätzlich geschaltete MOSFETs verwendet werden Fig.4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Antriebumrichters 1 1 zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle 7. Das Ausgangsteil 1 1 b in diesem Ausführungsbeispiel entspricht dem Ausgangsteil 1 1 b aus Fig.3. Das Eingangsteil 1 1 a ist im Gegensatz zu der Ausführungsform in Fig.3 an eine Gleichstromquelle angeschlossen und umfasst daher zusätzlich einen Eingangs-Wechselrichter 8 mit hier drei Phasen und einen Transformator 9 mit drei Phasen Itr1 , Itr2, Itr3 angeschlossen jeweils an die vier Frequenzumrichter 10. Auch hier können die Schalter 10a Thyristoren sein, die zyklisch geschaltet werden. Hierbei kann ein Stromprofil am Ausgang der Frequenzumrichter 10 zu den Phaseneingängen ph1 , ph2, ph3, ph4 der Reluktanzmaschine mittels des Zündwinkels der Thyristoren 10a eingestellt werden. Hierbei ist die Dynamik der Stromumschaltung zwischen den Thyristoren 10a nur durch die Streuinduktivität des Transformators 9 begrenzt. Der Eingangs-Wechselrichter 8 kann dabei dazu ausgestaltet sein, in einem Puls-Breite-Modulations-Modus zur Erzeugung eines sinusoidalen Stroms oder in einem sogenannten Block-Modus betrieben zu werden. Der Block-Modus liefert dabei eine dreiphasige Rechteck- Wechselspannung mit einem Phasenunterschied von 120 Grad zwischen den Phasen, die in die Frequenzumrichter eingespeist werden. Der Eingangs- Wechselrichter 8 kann dabei bei Frequenzen arbeiten, die unterschiedlich zur Netzfrequenz eines Stromnetzes sind, beispielsweise bei Frequenzen höher als die Netzfrequenz des Stromnetzes im Gegensatz zu einem Antriebsumrichter nach Fig.3, der direkt an ein Wechselspannungs-Stromnetz angeschlossen ist und somit von der Frequenz der angebotenen Wechselspannung abhängt. Die Lastschalter 8a des Eingangs-Wechselrichters 8 können so ausgestaltet sein, dass sie ein hartes Ein- und Ausschalten ermöglichen. Der Eingangs- Wechselrichter 8 kann auch Snubber-Kondensatoren (hier nicht gezeigt) für ein weiches Ein- und Ausschalten umfassen, womit die Umschaltverluste des

Wechselrichters reduziert werden. Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 13 mit einer Reluktanzmaschine 12 und einem an die Reluktanzmaschine 12

angeschlossen Antriebumrichter 1 1 . Damit lässt sich das System 13 mit geringeren Leitungs- und Umschaltverluste betrieben. Des Weiteren stellt das System 13 nur noch eine gegenüber dem Stand der Technik reduzierte

elektromagnetische Störgröße dar. In einer Ausführungsform ist dabei die Anzahl der Phasen der Reluktanzmaschine 12 gleich der Anzahl der Frequenzumrichter in dem Antriebsumrichter 1 1 . In einer alternativen Ausführungsform sind zwei oder mehrere Phasen der Reluktanzmaschine 12 zu einem gemeinsamen

Phaseneingang für den jeweiligen Frequenzumrichter zusammengeschlossen. In einer weiteren Ausführungsform wird die Reluktanzmaschine 12 als Motor oder Generator betrieben. Im Falle der Reluktanzmaschine 12 als Generator fließt der Strom im Frequenzumrichter in dieselbe Richtung wie im Falle der

Reluktanzmaschine 12 als Motor, die Spannung ist aber gegenüber der

Reluktanzmaschine 12 als Motor invertiert und der Leistungsfluss fließt in die entgegengesetzte Richtung.

Fig.6 zeigt Phasenstrom in einer vier-phasigen geschalteten Reluktanzmaschine als Ergebnis des verwendeten erfindungsgemäßen Antriebsumrichters 1 1 mit je einem Frequenzumrichter 10 pro Phaseneingang der Reluktanzmaschine. Die dargestellte Kurvenform stellt die Ströme der Phasen ph1 , ph2, ph3, ph4 in den vier Windungen der geschalteten Reluktanzmaschine dar. Während der Rotor einer Reluktanzmaschine sich dreht, werden die Statorzähne jeweils mit einer gleichen Polarisierungsrichtung umlaufend auf- und abmagnetisiert, wobei jede Phase der Maschine für einen Zeitbereich magnetisiert wird (jeweiliger steiler Stromanstieg), im nachfolgenden Zeitbereich magnetisiert gehalten wird

(gleichbleibendes Niveau ab 40 s), danach abmagnetisiert wird (steiler

Stromabstieg) und für einen nachfolgenden Zeitbereich in diesem

entmagnetisierten Zustand gehalten wird (kein Strom in die Phase, beispielsweise Strom = 0 für ph1 zwischen17 s und 43 s). Diese vier Zeitbereiche

(Aufmagnetisierung, gleichbleibende Magnetisierung, Abmagnetisierung, keine Magnetisierung) sind bei niedrigen Drehzahlen deutlich zu erkennen. Bei hohen Drehzahlen fehlt typischerweise das gleichbleibende Niveau, da aufgrund der hohen Drehzahl des Rotors direkt nach der Magnetisierung des jeweiligen Statorzahns dessen Abmagnetisierung folgt.

Fig.7 zeigt den Phasenstrom für ph1 , ph2, ph3 und ph4 gemäß Fig.6 in einem vergrößerten Ausschnitt. In diesem Ausschnitt zwischen 10 s und 30 s ist der Phasenstrom für ph4 gleich Null, siehe dazu Fig.6. Um ein bestimmtes Stromprofil zu erhalten, können die Zündwinkel der Schalter (Thyristoren) in den

Frequenzumrichtern moduliert werden. Hierbei ist die Dynamik der

Stromumschaltung zwischen den Thyristoren nur durch die Streuinduktivität des Transformators im Eingangsteil des Antriebsumrichters begrenzt.

Fig.8 zeigt den Transformatorstrom Itr1 , itr2, itr3 in einem erfindungsgemäßen Antriebsumrichter 1 1 nach Fig.4 für eine vier-phasige geschaltete

Reluktanzmaschine als Funktion der Zeit in s. Fig.9 zeigt den

Transformatorstrom Itr1 , itr2, itr3 gemäß Fig.8 in einem vergrößerten Ausschnitt. Die Dynamik der Stromumschaltung zwischen den Thyristoren 10a ist nur durch die Streuinduktivität des Transformators begrenzt. Die Stromwelligkeit in den Maschinenphasen hat eine Frequenz, die um das sechsfache höher ist als die Schaltfrequenz eines jeden Thyristors in den Frequenzumrichtern. Die

Frequenzumrichter sind zudem ähnlich wie ein Halbbrücken-Umrichter in der Lage, die Induktivität der Phasen der geschalteten Reluktanzmaschine zu magnetisieren und zu de-magnetisieren und so die in der Induktivität

zwischengespeicherte Energie wieder rückzugewinnen.

Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden.

Alternativen durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.

Liste der Bezugszeichen

1 ,7 Spannungsquelle (Wechsel- oder Gleichspannungsquelle)

2 Eingangs-Wechselrichter

3 Transformator

4 zweiter Wechselrichter

5 Filter-Kondensator

6 asymmetrischer Halbbrücken-Umrichter

8 Eingangs-Wechselrichter des erfindungsgemäßen Antriebsumrichters 8a Last-Schalter des Eingangswechselrichters

9 Transformator des erfindungsgemäßen Antriebsumrichters

10 Frequenzumrichter des erfindungsgemäßen Antriebsumrichters 10a Schalter des Frequenzumrichters, Thyristoren

1 1 erfindungsgemäßer Antriebsumrichter

1 1 a Eingangsteil des erfindungsgemäßen Antriebsumrichters

1 1 b Ausgangsteil des erfindungsgemäßen Antriebsumrichters

12 Reluktanzmaschine

13 System aus Reluktanzmaschine und Antriebsumrichter PA1 , PA2 Antriebsumrichter nach dem Stand der Technik

V_Dc Gleichspannung

Iph 1 Ausgangsstrom des (ersten) Frequenzumrichters in erste Phase der

Reluktanzmaschine

Iph2 Ausgangsstrom des (zweiten) Frequenzumrichters in zweite Phase der

Reluktanzmaschine

Iph3 Ausgangsstrom des (dritten) Frequenzumrichters in dritte Phase der

Reluktanzmaschine

Iph4 Ausgangsstrom des (vierten) Frequenzumrichters in vierte Phase der

Reluktanzmaschine

Itr1 - 3 Ausgangsströme der Phasen des Transformators in die jeweiligen

Frequenzumrichter

ph1 erste Phase / Phaseneingang der Reluktanzmaschine

ph2 zweite Phase / Phaseneingang der Reluktanzmaschine ph3 dritte Phase / Phaseneingang der Reluktanzmaschine ph4 vierte Phase / Phaseneingang der Reluktanzmaschine

Claims

Patentansprüche:

1. Einen Antriebsumrichter (1 1 ) für eine geschaltete Reluktanzmaschine (12) mit einer bestimmten Anzahl an Phaseneingängen (ph1 , ph2, ph3, ph4), umfassend einen Eingangsteil (1 1 a) zum Anschluss an eine

Spannungsquelle (7) und zur Versorgung eines Ausgangsteils (1 1 b) des Antriebsumrichters (1 1 ), der zum Anschluss an die Reluktanzmaschine (12) vorgesehen ist, mit einer Wechselspannung mit ein oder mehreren Phasen (Itr1 , Itr2, Itr3), wobei das Ausgangsteil (1 1 b) durch ein oder mehrere

Frequenzumrichter (10) gebildet wird, wobei jeder der Frequenzumrichter

(10) durch die ein oder mehreren Phasen der Wechselspannung (Itr1 , Itr2, Itr3) gespeist wird und die Anzahl der Frequenzumrichter (10) auf die Anzahl der Phaseneingänge (ph1 , ph2, ph3, ph4) der Reluktanzmaschine (12) angepasst ist und jeder der Frequenzumrichter (10) dazu vorgesehen ist einen der Phaseneingänge (ph1 , ph2, ph3, ph4) zu speisen.

2. Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Frequenzumrichter (10) pro eingespeiste Phase zwei Schalter (10a) zur Versorgung des an den Frequenzumrichter (10) angeschlossenen

Phaseneingangs (ph1 , ph2, ph3, ph4) der Reluktanzmaschine (12) umfasst.

3. Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schalter (10a) Thyristoren oder andere bidirektionale sperrende

Bauteile wie Reverse Blocking IGBT oder Konstrukte wie zwei gegensätzlich geschaltete MOSFETs sind.

4. Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein Stromprofil am Ausgang der Frequenzumrichter (10) zu den

Phaseneingängen (ph1 , ph2, ph3, ph4) der Reluktanzmaschine (12) mittels des Zündwinkels der Thyristoren (10a) eingestellt wird. Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,

dass der Frequenzumrichter (10) mindestens einen Snubber-Kondensator umfasst.

Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass der Eingangsteil (1 1 a) einen zum Anschluss an eine

Gleichspannungsquelle (7) vorgesehenen Eingangs-Wechselrichter (8) mit ein oder mehreren Phasen und einen Transformator (9) mit ein oder mehreren Phasen (Itr1 , Itr2, Itr3) angeschlossen an die Frequenzumrichter (10) umfasst.

Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Eingangs-Wechselrichter (8) dazu ausgestaltet ist, in einem Puls- Breite-Modulations-Modus zur Erzeugung eines sinusoidalen Stroms oder in einem sogenannten Block-Modus betrieben zu werden.

Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach Anspruch 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Eingangs-Wechselrichter (8) bei Frequenzen arbeitet, die unterschiedlich zur Netzfrequenz eines Stromnetzes sind.

Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Frequenz des Eingangs-Wechselrichters (8) höher als die

Netzfrequenz des Stromnetzes ist.

Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, dass Lastschalter (8a) des Eingangs-Wechselrichters (8) so ausgestaltet sind, dass sie ein hartes Ein- und Ausschalten ermöglichen.

1 1 . Der Antriebsumrichter (1 1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Eingangs-Wechselrichter (8) Snubber-Kondensatoren für ein weiches Ein- und Ausschalten umfasst.

12. Ein System (13) aus einer geschalteten Reluktanzmaschine (12) und einem an die Reluktanzmaschine (12) angeschlossenem Antriebsumrichter (1 1 ) nach Anspruch 1 zur elektrischen Versorgung der Reluktanzmaschine (12).

13. Das System (13) nach Anspruch 12, wobei die Anzahl der Phasen (ph1 , ph2, ph3, ph4) der Reluktanzmaschine (12) gleich der Anzahl der

Frequenzumrichter (10) ist.

14. Das System (13) nach Anspruch 12, wobei zwei oder mehr Phasen (ph1 , ph2, ph3, ph4) der Reluktanzmaschine (12) zu einem gemeinsamen

Phaseneingang (ph1 , ph2, ph3, ph4) für den Frequenzumrichter (10) zusammengeschlossen sind.

15. Das System (13) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die

Reluktanzmaschine (12) als Motor oder Generator betrieben wird.