DE60123196T2

DE60123196T2 - Mit zwei Spannungsversorgungen gespeister geschalteter Reluktanzantrieb und Verfahren für dessen Betrieb

Info

Publication number: DE60123196T2
Application number: DE60123196T
Authority: DE
Inventors: Michael Paul Harrogate Tankard
Original assignee: SWITCHED RELUCTANCE DRIVES Ltd; Switched Reluctance Drives Ltd
Current assignee: Nidec SR Drives Ltd
Priority date: 2000-11-23
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: CN1223076C; DE60123196D1; EP1209790A1; MXPA01012009A; CN1356766A; US6628105B1; KR20020040628A; GB0028602D0; KR100793212B1; EP1209790B1; JP3875083B2; BR0105441A; JP2002199783A

Description

Die Erfindung betrifft geschaltete Reluktanzantriebssysteme. Im Speziellen betrifft sie solche Systeme, die mit einem begrenzten Arbeitszyklus an einem Versorgungssystem mit einer begrenzten Kapazität betrieben werden.
Die Charakteristika und der Betrieb von geschalteten Reluktanzantriebssystemen sind im Stand der Technik wohl bekannt und werden zum Beispiel in „The Characteristics, Design and Application of Switched Reluctance Motors and Drives" von Stephenson und Blake, PCIM '93, Nürnberg, 21.–24. Juni 1993, hierin durch Bezugnahme aufgenommen, beschrieben. 1 zeigt einen typischen geschalteten Reluktanzantrieb in schematischer Form, wobei der geschaltete Reluktanzmotor 12 einen Verbraucher 19 antreibt. Die eingespeiste Gleichstromversorgung 11 kann entweder eine Batterie sein, oder eine gleichgerichtete und gefilterte Wechselstromversorgung. Die von der Stromversorgung 11 bereitgestellte Gleichstromspannung wird durch einen Stromwandler 13 unter der Steuerung der elektronischen Steuereinheit 14 über die Phasenwicklungen 16 des Motors 12 geschalten. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Antriebs muss das Schalten richtig mit dem Rotationswinkel des Rotors synchronisiert sein. Zu diesem Zweck wird typischer Weise ein Rotorpositionsdetektor 15 verwendet, um Signale bereitzustellen, die der Winkelposition des Rotors entsprechen. Der Rotorpositionsdetektor 15 kann viele Formen annehmen, einschließlich der eines Softwarealgorithmus, und sein Ausgang kann auch verwendet werden, um ein Geschwindigkeits-Rückführungssignal zu erzeugen.
Es sind viele verschiedene Stromwandler-Topologien bekannt, einige davon werden in dem oben zitierten Stephenson-Dokument erörtert. 2 zeigt eine der gebräuchlichsten Ausbildung für ein Einzelphasen- oder Mehrphasensystem, in dem die Phasenwicklung 16 der Maschine in Serie mit zwei Schalteinheiten 21 und 22 quer über die Sammelschienen 26 und 27 angeschlossen ist. Die Sammelschienen 26 und 27 sind zusammengefasst als die „Gleichstromverbindung" des Wandlers beschrieben. Energie-Rückführungsdioden 23 und 24 sind an die Wicklung angeschlossen, um dem Wicklungsstrom zu ermöglichen, in die Gleichstromverbindung zurückzufließen, wenn die Schalter 21 und 22 geöffnet sind. Ein Kondensator 25, als „Gleichstromverbindungs-Kondensator" bekannt, ist quer über die Gleichstromverbindung angeschlossen, um alle Wechselkomponenten des Gleichstromverbindungs-Stroms (d.h. den sogenannten „Welligkeitsstrom"), der von der Versorgung nicht abgezogen, oder zu dieser zurückgespeist werden kann, aufzufüllen oder abzuziehen. In der Praxis kann der Kondensator 25 mehrere in Serie und/oder parallel geschaltete Kondensatoren aufweisen, und, wenn eine parallele Schaltung verwendet wird, können einige der Komponenten überall im Wandler verteilt sein.
3 zeigt typische Wellenformen für einen Betriebszyklus des in 2 gezeigten Schaltkreises. 3(a) zeigt die Spannung, die für die Dauer des Durchlasswinkels θ_c angelegt wird, wenn die Schalter 21 und 22 geschlossen sind. 3(b) zeigt den Strom in der Phasenwicklung 16, die auf eine Wertspitze ansteigt, und dann leicht abfällt. Am Ende der Durchlassperiode werden die Schalter geöffnet und der Strom verlagert sich auf die Dioden, wodurch die invertierte Verbindungsspannung quer über die Wicklung angelegt wird, und daher der Fluss und die Spannung auf Null herunter gezwungen werden. Bei einem Strom von Null hören die Dioden auf zu leiten und die Schaltung ist bis zum Beginn einer nachfolgenden Durchlassperiode inaktiv. Der Strom auf der Gleichstromverbindung kehrt sich um, wenn die Schalter geöffnet werden, wie in 3(c) gezeigt ist, und der zurückgeführte Strom stellt die Energie dar, die zu der Versorgung zurückgegeben wird. Diese Fähigkeit einer geschalteten Reluktanzmaschine, eine Rückgabe von Energie zu einer Versorgungsschaltung zu ermöglichen, hat Vorteile. Die US 5.705.918 , hierin durch Bezugnahme aufgenommen, offenbart beispielsweise einen Generator, der Energie von einer Hochspannungs-Sammelleitung zu einer Niederspannungs-Sammelleitung übermitteln kann, um die Generatoreffizienz zu erhöhen.
Die Form der Stromwellenform eines geschalteten Reluktanzantriebs variiert in Abhängigkeit des Arbeitspunktes der Maschine und der angewendeten Schaltstrategie. Wie wohlbekannt ist, und wie beispielsweise in dem oben zitierten Stephenson-Dokument beschrieben wird, bezieht der Betrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten im Allgemeinen die Verwendung einer Stromzerhackung (chopping) mit ein, um die Stöme in den Wertspitzen einzudämmen, und das nicht simultane Ausschalten der Schalter ergibt einen Betriebsmodus, der allgemein als „Freilaufen" bekannt ist.
Geschaltete Reluktanzantriebe werden typischer Weise von der Stromnetz-Elektrizitätsversorgung angetrieben. Einige Antriebe haben jedoch keinen fixen Anschluss an die öffentliche Elektrizitätsversorgung, etwa weil sie auf einer Schiffs- oder Fahrzeugsausrüstung montiert sind. In diesen Situationen wird das System typischer Weise von einem Generator gespeist, der von einem mit fossilen Brennstoffen befeuerten Primärantrieb angetrieben ist. Üblicher Weise ist eine Speicherbatterie vorgesehen, um ausreichend Energie zu speichern, um den Primärantrieb zu starten, und um Verbraucher zu versorgen, die über die Kapazität des Generators hinausgehen. Die Batterie wird von dem Generator wieder aufgeladen, wenn die erzeugte Kapazität ausreichend über der von den Systemverbrauchern benötigten liegt.
Die EP-A-1039625 offenbart den Betrieb einer geschalteten Reluktanzmaschine von verschiedenen Versorgungsspannungen aus, während desselben Durchlasszyklus.
Die US-A-5703456 offenbart einen Stromwandler für einen geschalteten Reluktanzmotor. Sowohl eine verbesserte Motorleistung durch das Überwachen des Stroms in dem Motor, als auch der in einem Speichergerät gespeicherten Energie, sowie das dynamische Steuern von beiden wird erörtert.
Die EP-A-0564067 offenbart einen geschalteten Reluktanzgenerator mit einer Fehlerbeseitigung. Eine einzelne Erregerspannungsquelle kann in dem Fall eines Fehlers angeschlossen werden, um einen Verlust der Erregung der Wicklungen zu vermeiden.
Mit den oben beschriebenen Generator-/Speicherbatteriesystemen gibt es unvermeidlicher Weise einen Kompromiss zwischen Anlagekosten, Gewicht und Leistung. Während die Konstrukteure ein System haben wollen, das in der Lage ist, irgendwelche oder alle Verbraucher zu versorgen, ohne dass die Spannung in dem System schwankt, kann dies nur durchgeführt werden, indem die Kapazität der Batterie und/oder des Generators erhöht wird. Dies erhöht die Anlagekosten des Systems und das Gewicht, was im Gegenzug zu erhöhten laufenden Kosten und/oder einer verringerten dynamischen Leistung des Bootes oder Fahrzeuges führt. Ein bestimmtes Problem tritt auf, wenn ein großer Verbraucher mit Unterbrechungen betrieben wird, besonders wenn das System bereits andere Verbraucher versorgt, die empfindlich für Spannungsschwankungen sind. Fahrzeug- oder Kabinenbeleuchtung zum Beispiel, welche Glühdrähte verwenden, sind Verbraucher, die bekannter Maßen auf Spannungsschwankungen empfindlich sind und es tritt tatsächlich im Allgemeinen eine leichte Verdunkelung auf, wenn ein anderer Verbraucher auf derselben Versorgungs-Sammelleitung eingeschalten wird. Wenn der Verbraucher einen Arbeitszyklus von beispielsweise einigen Sekunden hat, gefolgt von einigen zehn Sekunden im ausgeschalteten Zustand, kann dies für das Auge irritierend sein.
Es besteht daher ein Bedarf für ein Verfahren, einen Antrieb mit Unterbrechungen an einer Sammelleitung mit beschränkter Kapazität zu betreiben, ohne erhebliche Spannungsstörungen zu verursachen.
Dieses Ziel wird mit einem geschalteten Reluktanzantrieb gemäß Anspruch 1 und einem Betriebsverfahren gemäß Anspruch 14 erreicht.
Ein Vorteil dieses Antriebs ist es, dass Energie von den Wicklungen transferiert wird, um eine zweite Spannungsquelle für eine Verwendung mit Unterbrechungen aufzuladen. Die zweite Spannungsquelle ist größer als die erste Spannungsquelle. Vorzugsweise ist die zweite Spannungsquelle auf einen vorbestimmten Wert aufgeladen, beispielsweise auf das Doppelte oder das Dreifache der ersten Spannungsquelle.
Die ersten und die zweiten Spannungsquellen können in Serie oder parallel angeschlossen sein. Die ersten und die zweiten Spannungsquellen können jede einen Kondensator enthalten, der quer darüber parallel angeschlossen ist.
Der Energie-Rückführungsweg kann eine Diode aufweisen, die zwischen einem Ende der Wicklung und der zweiten Spannungsquelle in solch einer Weise angeschlossen ist, dass Energie von der Wicklung zu der zweiten Spannungsquelle transferiert wird.
Das Mittel, um entweder die erste und/oder die zweite Spannungsquelle selektiv anzuschließen, um die Wicklung zu versorgen kann ein Paar parallel angeordnete Schalter aufweisen, wobei der erste Schalter zwischen der Wicklung und der ersten Spannungsquelle angeschlossen ist, und der zweite Schalter zwischen der Wicklung und der zweite Spannungsquelle angeschlossen ist, sodass, wenn der erste Schalter geöffnet ist, und der zweite Schalter geschlossen ist, die zweite Spannungsquelle verwendet werden kann, um die Wicklung zu versorgen. Ein dritter Schalter kann vorgesehen sein, um die Wicklung an einen allgemeinen Anschluss von sowohl der ersten, als auch der zweiten Spannungsquelle anzuschließen.
Das Mittel, um entweder die erste und/oder die zweite Spannungsquelle selektiv anzuschließen, um die Wicklung zu versorgen kann einen Umschaltschalter aufweisen, der in einer Stellung betriebsfähig ist, um zum versorgen der Wicklung die erste Spannungsquelle anzuschließen, und in einer anderen Stellung betriebsfähig ist, um zum versorgen der Wicklung die zweite Spannungsquelle anzuschließen. Die Wicklung kann zwischen einem, und in Serie mit einem Paar Schaltern angeschlossen sein.
Vorzugsweise wird in dem Betriebsverfahren der Schritt des Übertragens durchgeführt, bis die zweite Spannungsquelle auf einen vorbestimmten Wert aufgeladen ist, der höher ist, als die Nennspannung der ersten Spannungsquelle, beispielsweise auf das Doppelte oder das Dreifache der ersten Spannungsquelle.
Die ersten und zweiten Spannungsquellen können in Serie oder parallel angeschlossen sein. Die ersten und zweiten Spannungsquellen können je einen Kondensator aufweisen, der quer darüber parallel angeschlossen ist.
Zum Schritt des Übertragens kann es zählen, Energie von der Wicklung zu der zweiten Spannungsquelle über einen Energie-Rückführweg zu leiten, der eine Diode aufweist, die zwischen einem Ende der Wicklung und der zweiten Spannungsquelle in solch einer Weise angeschlossen ist, dass Energie von der Wicklung zu der zweiten Spannungsquelle übertragen wird.
Die Wicklung kann in Serie mit einem, oder zwischen einem Paar Schaltern angeschlossen sein, und zu dem Schritt des Schaltens kann es zählen, das Paar Schalter zwischen offenen und geschlossenen Stellungen zu schalten.
Zu dem Verfahren kann es weiters zählen, zu detektieren, wenn die zweite Spannungsquelle auf ein vorbestimmtes Niveau aufgeladen ist. Vorzugsweise zählt zu dem Verfahren das Modifizieren des Schaltschrittes, um die Energie, die zu der zweiten Spannungsquelle zurückgegeben wird, zu verringern, wenn diese auf ein bestimmtes Niveau aufgeladen ist.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun, nur als Beispiel, mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein schematisches Diagramm eines bekannten geschalteten Reluktanzsystems zeigt;
2 die Verbindung von einer Phasenwicklung zu einem Energieumwandler zeigt.
3(a) eine typische Spannungs-Wellenform zeigt, die auf die Phasenwicklung der 2 angewendet wird;
3(b) eine Phasenstrom-Wellenform zeigt, die der 3(a) entspricht;
3(c) eine Wandler-Speisungs-Stromwellenform zeigt, die der 3(b) entspricht;
4 ein Schaltkreis für eine Phase einer geschalteten Reluktanzmaschine ist;
5 ein Schaltkreis für eine Polyphasen-Version der Maschine der 4 ist;
6 einen alternativen Schaltkreis für eine geschaltete Reluktanzmaschine zeigt;
7 ein Schaltkreis für eine Polyphasen-Version der Maschine der 6 ist;
8 eine Modifikation des Schaltkreises der 6 zeigt, und
9 ein Schaltkreis für eine Polyphasen-Version der Maschine der 8 ist.
4 zeigt eine erste Spannungsquelle V1 und einen ersten Kondensator 25, der quer über eine erste Gleichstromverbindung 26/27 angeschlossen ist, und eine zweite Spannungsquelle V2 und einen zweiten Kondensator 29, der quer über eine zweite Gleichstromverbindung angeschlossen ist, wobei die erste und zweite Gleichstromverbindung eine gemeinsame negative Leitung 27 benutzen. An eine positive Leitung 26 der ersten Gleichstromverbindung ist ein erster Schalter 21 angeschlossen, der oben an die Wicklung 16 angeschlossen ist, welche im Gegenzug an ihrem unteren Ende an einen zweiten Schalter 22 angeschlossen ist, der an die gemeinsame negative Leitung angeschlossen ist. Zwischen dem oberen Ende der Wicklung 16 und der negativen Leitung ist eine Diode 24 angeschlossen, die funktionsfähig ist, um Strom von der negativen Leitung in Richtung der Wicklung 16 zu leiten. Zwischen dem oberen Ende der Wicklung 16 und einer positiven Leitung der zweiten Gleichstromverbindung ist ein dritter Schalter 28 angeschlossen. Zwischen dem unteren Ende der Wicklung 16 und der positiven Leitung der zweiten Gleichstrom-Sammelleitung befindet sich eine Diode 23, die so angeschlossen ist, dass sie Strom von der Wicklung 16 zu der zweiten Gleichstrom-Sammelleitung leitet. Auf diese Weise bietet die Diode 23 einen Energie-Rückführungsweg zwischen der Wicklung 16 und der zweiten Spannungsquelle (V2).
Die Maschine der 4 kann in einem Leerlaufmodus bei einer verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeit und unter Abziehen geringer Strommengen von der ersten Spannungsquelle V1 unter Verwendung der herkömmlichen Schalter 21 und 22 betrieben werden. Immer wenn diese geöffnet werden, fließt die zurückgeleitete Spannung in die zweite Quelle V2 und/oder ihren Kondensator 29. Daher steigt über einige Arbeitszyklen die Spannung der Quelle V2 auf einen vorbestimmten Wert, der vorzugsweise höher ist als der von V1, typischer Weise doppelt oder dreimal höher als V1. An diesem Punkt kann die Maschine entweder ausgeschalten werden, oder in einem Modus betrieben werden, der sehr wenig Energie am Ende des Zyklus zurückführt, wie unten beschrieben wird. Wenn die Maschine gefordert ist, mit höherer Leistung zu arbeiten, wird der Schalter 28 statt dem Schalter 21 verwendet, wodurch die Maschine von der zweiten, höheren Spannungsquelle V2 angetrieben wird. Dies wird unter der Steuerung der elektronischen Steuerungseinheit 14 durchgeführt. Wenn die Maschine von V2 angetrieben wird, wird kein Strom von V1 bezogen, und daher gibt es keine Spannungsstörungen auf Leitung 26.
Während oben festgestellt wurde, dass die Maschine in einem Leerlaufmodus ist, wenn sie von V1 gespeist wird, wird man verstehen, dass dies nicht der Fall sein muss. Die Maschine könnte beispielsweise verwendet werden, um einen ersten, verhältnismäßig geringen Verbraucher anzutreiben, während V2 aufgeladen wird. Wenn der Verbrauch sich erhöht, würde die Maschine dann von V2 versorgt und betrieben werden, so dass der erhöhte Verbrauch angetrieben wird. Alternativ könnte der Rotor der Maschine stationär sein, wenn die Maschine von V1 versorgt wird, und V2 aufgeladen wird. In diesem Fall würde die Maschine während der Aufladeperiode unter Verwendung einer einzelnen Phase oder einer Vielzahl von Phasen simultan betrieben werden. Wenn die Maschine benötigt wird, um einen Verbraucher anzutreiben, würde dann V2 angeschlossen werden, sodass die Maschine versorgt wird, um den Verbraucher anzutreiben. In jedem Fall könnte der Verbraucher mit dem Rotor der Maschine starr verbunden sein, oder es könnte eine Kupplung vorgesehen sein, um den Rotor mit dem Verbraucher zu verbinden wenn dies gewünscht ist.
Die Anordnung der 4 kann vorteilhaft in einem Fahrzeug verwendet werden, um einen Lüfter mit Unterbrechungen anzutreiben. In diesem Fall wird die Fahrzeugbatterie als V1 verwendet, um die Maschine zu versorgen und um eine andere Quelle V2 aufzuladen, um dadurch ausreichend Energie bereitzustellen, um den Lüfter anzutreiben. Als bestimmtes Beispiel für diese Anwendung wird die 12V Standard-Autobatterie, die vorgesehen ist, um die Beleuchtung und andere Hilfsverbraucher anzutreiben, als V1 verwendet, und eine kleine zusätzliche Batterie, die, angenommen, einen Nennwert von 36V aufweist, wird als V2 verwendet. Bei einer Leerlaufgeschwindigkeit, angenommen 15% der Nenngeschwindigkeit, wird die Maschine von V1 versorgt. In dieser Stufe, während die Maschine im Leerlauf ist, wird die Batterie V2 mit Energie aufgeladen, die von der Wicklung 16 zu V2 übertragen wird. Wenn der Lüfter benötigt wird, um auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen und mit dieser zu arbeiten, nimmt der Versorgungsbedarf zu, und die Batterie V2 kann in Betrieb geschalten werden.
Es gibt einen weiteren Vorteil, der aus der 4 nicht unmittelbar klar ist. Mit dem herkömmlichen Schaltkreis müssen die Schalter ausgelegt werden, um die Wertspitzen-Ströme zu bewältigen, die mit der Maximalenergie verbunden sind. Bei einem Betrieb durch die höhere Spannungsquelle V2 kommt es jedoch zu einem entsprechenden Abfall des für die gleiche Leistungsabgabe erforderlichen Spitzenstroms. Dadurch ist es möglich, die Schalter 22 und 28 für viel geringere Ströme auszulegen. Da der Schalter 21 nur im Leerlaufbetrieb verwendet wird, kann er auch klein ausgelegt sein. Diese Verringerung bei der Auslegung der Schalter kann verwendet werden, um die Kosten des zusätzlichen Schalters, des Kondensators und der Quelle auszugleichen.
Während 4 nur eine einzelne Phase zeigt, ist zu verstehen, dass das Prinzip der Erfindung in gleicher Weise in einer Mehrphasen-Konfiguration verwendet werden könnte. In diesem Fall würden in der Schaltung nur die Schalter, Dioden, und Wicklungen verdoppelt, während die Kondensatoren und Spannungsquellen für alle Phasen die gleichen währen. Ein Beispiel für eine Wandlerschaltung für eine Zweiphasen-Maschine ist in 5 gezeigt.
Eine alternative Schaltung, um die Erfindung umzusetzen, ist in 6 gezeigt. In diesem Fall hat die Schaltung erste und zweite Spannungsquellen V1 und V2, die in Serie angeschlossen sind. Zwischen den zwei Quellen V1 und V2 befindet sich ein Ausgabeanschluss 52, sodass die Spannung, die von der Maschine verwendet wird, entweder der Ausgang von V1 oder der kombinierte Ausgang von V1 und V2 sein kann. Um zwischen den zwei Ausgängen umzuschalten, ist ein Umschalter 50 vorgesehen. Zwischen dem Schalter 50 und einem negativen Ende der Gleichstrom-Sammelleitung ist ein Kondensator 25 angeschlossen. Parallel zum Kondensator 25 befindet sich in Serie eine Kombination aus einem ersten Schalter 21, einer Wicklung 16 und einem zweiten Schalter 22, in dieser Reihenfolge. Zwischen dem ersten Schalter 21 und der Wicklung 16 ist ein Ende einer Diode 24 angeschlossen, die an ihrem anderen Ende an die negative Leitung der Gleichstrom-Sammelleitung angeschlossen ist, wobei die Diode 24 so ausgebildet ist, dass sie Strom von der negativen Leitung 27 zu dem oberen Ende der Wicklung 16 leitet.
Zwischen dem zweiten Schalter 22 und dem unteren Ende der Wicklung 16 ist ein Ende einer Diode 23 angeschlossen, die an ihrem anderen Ende an das positive Ende der zweiten Spannungsquelle V2 angeschlossen ist, so dass sie Strom von der Wicklung 16 zu der zweiten Spannungsquelle V2 leitet. Auf diese Weise wird ein Energie-Rückleitungsweg zwischen der Wicklung 16 und der zweiten Spannungsquelle V2 vorgesehen. Zwischen dem oberen Ende der Diode 23 und der unteren Gleichstrom-Sammelleitung ist ein Kondensator 29 angeschlossen, der dadurch quer über die erste und auch die zweite Spannungsquelle angeschlossen ist.
Die Maschine der 6 kann mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit betrieben werden, oder in einem stationären Modus, wie oben erwähnt, so dass geringe Ströme von der ersten Spannungsquelle V1 abgezogen werden, indem der Umschalter 50 verwendet wird, um V1 quer über die Maschine anzuschließen, und die herkömmlichen Schalter 21 und 22 verwendet werden. Jedes Mal, wenn die herkömmlichen Schalter geöffnet werden, fließt der zurückgeführte Strom über die Diode 23 in die zweite Quelle V2 und/oder ihren Kondensator 29. Daher steigt über mehrere Betriebszyklen die Spannung der Quelle V2 auf einen vorbestimmten Wert, der über dem von V1 liegen kann. Wenn die Maschine gefordert ist, mit höherer Leistung zu arbeiten, wird der Umschalter 50 umgeschaltet, um die kombinierte Ausgabe von V1 und V2 quer über die Wicklung 16 anzuschließen, wodurch die Maschine von einer höheren, kombinierten Spannung aus angetrieben wird. Im Zusammenhang mit einem Fahrzeug kann die Entscheidung, den Schalter 50 umzuschalten, von einem herkömmlichen Motorhandhabungssystem gemäß dem Bedarf des Fahrzeugs getroffen werden. In anderen Situationen können entsprechende Steuerungsmittel mit der selben Wirkung verwendet werden, und können beispielsweise in der Steuereinheit 14 der 1 enthalten sein.
Es sollte angemerkt werden, dass für die Schaltung der 6 die Quelle V1 sowohl Strom zu der Wicklung 16 liefern muss, wenn die Maschine mit niedrigen, als auch mit hohen Spannungen betrieben wird, allerdings ist dieser viel geringer, als der Strom der für die Spitzenleistung bei niedriger Spannung erforderlich wäre.
6 zeigt nur eine einzelne Phase, es wird jedoch klar sein, dass das Prinzip in einer Mehrphasen-Konfiguration verwendet werden könnte. In diesem Fall würden in der Schaltung nur die Schalter, Dioden, und Wicklungen verdoppelt, während die Kondensatoren und Spannungsquellen für alle Phasen die gleichen währen. Ein Beispiel für eine Wandlerschaltung für eine Zweiphasen-Maschine ist in 7 gezeigt.
8 zeigt ein weiteres System, in welchem die Erfindung enthalten ist. Dieses ist den Anordnungen der 6 und 7 ähnlich, außer dass die erste, bzw. zweite Spannungsquelle V1 bzw. V2 parallel angeordnet sind. Diese Anordnung ermöglicht jedoch einen unabhängigen Betrieb der zwei Spannungsquellen, sodass die niedrigere Spannungsquelle V1 keinen zusätzlichen Strom bereitstellen muss, wenn die Maschine mit voller Leistung betrieben wird.
8 zeigt nur eine einzelne Phase, es wird jedoch klar sein, dass das Prinzip in einer Mehrphasen-Konfiguration verwendet werden könnte. In diesem Fall würden in der Schaltung nur die Schalter, Dioden, und Wicklungen verdoppelt, während die Kondensatoren und Spannungsquellen für alle Phasen die gleichen wären, wie in 9. Mit den in den 6 bis 9 gezeigten Anordnungen ist nur ein Umschalter 50 erforderlich, unabhängig von der Anzahl von Phasen in der Maschine.
Mit den In den 6 bis 9 gezeigten Anordnungen ist der Kondensator 25 plötzlich einer Spannungsänderung ausgesetzt, wenn der Umschalter 50 betrieben wird, was möglicher Weise eine Überbelastung des Kondensators und des Schalters, und/oder eine Beeinträchtigung der Spannungsquellen verursacht. Dieses Problem kann vermieden werden, indem der obere Anschluss des Kondensators 25 zu dem Anschluss 52 verschoben wird. Dies könnte dazu führen, dass der Anschluss des Kondensators sich physisch fern von den Schaltern 21 und 22 befindet, wodurch unerwünschte Induktivitätsstreuungen in den Schaltweg eingeleitet werden. Dies kann man behandeln, indem der Kondensator 25 in zwei oder mehrere Elemente geteilt wird: Ein größerer Kondensator, der an den Anschluss 52 angebracht ist, und bemessen ist, um niedrigere Frequenzkomponenten zu bewältigen; und ein oder mehrere kleinere Kondensatoren, welche in der Nähe der Schalter angeschlossen sind, und bemessen sind, um nur die höheren Frequenzkomponenten zu absorbieren, und die einen viel geringeren Einfluss auf die Schaltung haben, wenn der Schalter betrieben wird.
V1 der obigen Beispiele kann jede geeignete Stromversorgung sein, wie etwa eine Batterie. V2 kann jedes geeignete Gerät für eine elektrische Speicherung sein, beispielsweise eine Batterie oder ein Kondensator oder ein Ultrakondensator.
Der Fachmann wird einfach verstehen, dass während die in den 4–9 gezeigten Schaltungen eine gemeinsame negative Schiene verwenden, es eine Routineangelegenheit wäre, sie so zu rekonfigurieren, dass sie, mit der gleichen Wirkung eine gemeinsame positive Schiene haben.
Mit jeder der oben beschriebenen Schaltungen ist es möglich, die Energiemenge, die zu der Hochspannungsquelle übertragen wird, um sie aufzuladen, zu regulieren. In einigen Anwendungen kann es möglich sein, die Maschine als Generator zu betreiben, in diesem Fall kann eine herkömmliche Steuerung für eine geschaltete Reluktanzmaschine verwendet werden, wobei die erzeugte Energie an die Hochspannungsquelle abgegeben, und die Erregung von der Niederspannungsquelle bezogen wird. In den meisten Fällen wird es jedoch nicht möglich sein, die Maschine als einen Generator zu verwenden, da es keine Quelle mechanischer Energie geben wird. Nichtsdestoweniger ist es immer noch möglich, die höhere Spannungsquelle, unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken, von der niedrigeren Spannungsquelle aus effizient aufzuladen. Die Technik basiert auf der Erkenntnis, dass die Energiemenge, die im Punkt des Ausschaltens zurückgewonnen werden kann, eng mit der verknüpft ist, die in dem magnetischen Feld der Maschine gespeichert ist. Da die Schaltwinkel der Steuerung durch den Benutzer unterliegen, können geeignete Winkel ausgewählt werden, um die Menge der gespeicherten Energie in der Maschine und somit die Menge, die als elektrische Energie zurückgewonnen wird, zu variieren. Im Allgemeinen werden „spätere" Winkel, die herkömmlicher Weise für einen Motoreffizienz-Spitzenwert verwendet werden, mehr Energie zurückgewinnen.
Wenn die Quelle V2 auf das gewünschte Niveau aufgeladen ist (das kann durch Spannungsüberwachung ermittelt werden, oder indem die Menge der zu der Quelle gesendeten Ladung integriert wird), ist es angemessen, die Schaltstrategie zu ändern, um Winkel zu verwenden, welche es der Maschine ermöglichen, zu laufen, die jedoch mit einer sehr geringen Menge gespeicherter Energie beim Ausschalten verbunden sind. Ein Verfahren, um dies zu tun ist es, einen verhältnismäßig kurzen Durchlasswinkel (wahrscheinlich ziemlich früh im Zyklus) zu verwenden, gefolgt von einer langen Freilaufperiode. Dies ermöglicht, dass der Fluss, aufgrund der Spannungsabfälle quer über die Wicklung und die Einrichtungen, herunter gezwungen wird. Alternativ könnte die Maschine einfach ausgeschalten werden, oder sie könnte für kurze Zeit nur von V2 betrieben werden, um die gespeicherte Energie zu verringern.
Diese Erfindung bietet einen Schaltkreis und ein Betriebsverfahren, welche es einer geschalteten Reluktanzmaschine erlauben, als ein Motor in einem Leerlaufmodus an einer Niederspannungs-Sammelleitung mit begrenzter Kapazität betrieben zu werden, während eine Hochspannungsquelle aufgeladen wird. Die Hochspannungsquelle kann in der Folge verwendet werden, um die Maschine für eine kurze Zeit mit hoher Leistung zu betreiben, mit geringer oder keiner Beeinträchtigung der Niederspannungs-Sammelleitung. Dies ist vorteilhaft.
Eine weitere Verwendung der Erfindung ist es, einen Hochleistungsmodus für einen Notbetrieb eines herkömmlichen Antriebssystems vorzusehen, welches entweder von einer Batterie oder einem Stromnetz versorgt wird.
Der Fachmann wird verstehen, dass verschieden Variationen der offenbarten Anordnungen möglich sind, ohne von der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist die obige Beschreibung einiger Ausführungsformen beispielhaft und dient nicht dem Zweck der Begrenzung. Es wird dem Fachmann klar sein, dass geringfügige Modifikationen an den Anordnungen durchgeführt werden können, ohne den oben beschriebenen Betrieb erheblich zu ändern. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nur von dem Umfang der folgenden Ansprüche begrenzt wird.

Claims

Geschalteter Reluktanzantrieb welcher eine Maschine mit einem Rotor und einem Stator aufweist, wobei der Stator eine Wicklung (16) besitzt und der Antrieb weiters eine Steuereinheit enthält, welche aufweist: einen ersten Versorgungsschaltkreis, welcher eine erste Spannungsquelle (V1) und einen ersten Kondensator (25), der quer über den ersten Versorgungsschaltkreis angeschlossen ist, aufweist; einen zweiten Versorgungsschaltkreis, welcher eine zweite Spannungsquelle (V2) und einen zweiten Kondensator (29), der quer über den zweiten Versorgungsschaltkreis angeschlossen ist, aufweist; Mittel, um die erste und/oder die zweite Spannungsquelle selektiv anzuschließen, um die Wicklung unter verschiedenen Spannungen zu versorgen, um dadurch die Maschine anzutreiben; und eine elektrische Verbindung zwischen der Wicklung und der zweiten Spannungsquelle, um zuzulassen, dass Energie von der Wicklung zu der zweiten Spannungsquelle übertragen wird, wenn die erste Spannungsquelle verwendet wird, um die Wicklung zu versorgen, um dabei die zweite Spannungsquelle aufzuladen; wobei die Steuereinheit angeordnet ist, um den Antrieb in einer Hochleistung-Betriebsart zu betreiben, indem die zweite Spannungsquelle angeschlossen wird, um die Wicklung mit einer Spannung zu versorgen, die größer ist als die, die von der ersten Spannungsquelle alleine verfügbar ist.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach Anspruch 1, wobei die zweite Spannungsquelle bis zu einem vorbestimmten Wert aufgeladen wird, der größer ist, als der der ersten Spannungsquelle, zum Beispiel zwei oder drei Mal der der ersten Spannungsquelle.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Spannungsquellen in Serie angeordnet sind.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten Spannungsquellen parallel angeordnet sind.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energieweg eine Diode (23) aufweist, die zwischen einem Ende der Wicklung und der zweiten Spannungsquelle in einer Weise angeordnet ist, um Energie von der Wicklung zu der zweiten Spannungsquelle zu übertragen.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum selektiven Anschließen entweder der ersten und/oder der zweiten Spannungsquelle, um die Wicklung zu versorgen, einen ersten Schalter (21) und einen zweiten Schalter (28) aufweisen, die parallel angeordnet sind, wobei der erste im Betrieb zwischen der Wicklung und der ersten Spannungsquelle angeschlossen ist, und der zweite Schalter im Betrieb zwischen der Wicklung und der zweiten Spannungsquelle angeschlossen ist, so dass, wenn der erste Schalter geöffnet ist, und der zweite Schalter geschlossen ist, die zweite Spannungsquelle verwendet wird, um die Wicklung zu versorgen.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach Anspruch 6, wobei ein dritter Schalter (22) vorgesehen ist, um die Wicklung an einen gemeinsamen Anschluss von sowohl der ersten als auch der zweiten Spannungsquelle anzuschließen.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach Anspruch 6, wobei die Mittel zum selektiven Anschließen weiters ein Steuermittel aufweist, um den ersten, zweiten oder dritten Schalter zu betätigen.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mittel zum selektiven Anschließen entweder der ersten und/oder der zweiten Spannungsquelle, um die Wicklung zu versorgen, einen Umschalter (50) aufweist, der betriebsfähig ist, in einer Position die erste Spannungsquelle anzuschließen, um die Wicklung zu versorgen, und in einer anderen Position die zweite Spannungsquelle anzuschließen, um die Wicklung zu versorgen.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach Anspruch 9, wobei die Wicklung zwischen einem, und in Serie mit einem Schalterpaar angeschlossen ist.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher weiters einen Detektor aufweist, zum Ermitteln, wenn die zweite Spannungsquelle auf ein vorbestimmtes Niveau aufgeladen ist.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach Anspruch 11, welcher Mittel aufweist, um den Betrieb des Antriebs zu verändern, um die zu der zweiten Spannungsquelle übertragene Energie zu vermindern, wenn die zweite Spannungsquelle auf ein vorbestimmtes Niveau aufgeladen ist.
Geschalteter Reluktanzantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antrieb ein Mehrphasenantrieb ist.
Verfahren zum Betreiben eines geschalteten Reluktanzantriebs, welcher eine Maschine mit einem Rotor und einem Stator aufweist, wobei der Stator eine Wicklung (16) besitzt, wobei das Verfahren aufweist: Anschließen eines ersten Versorgungsschaltkreises an den Antrieb um die Wicklung zu versorgen um die Maschine zu betreiben, wobei der erste Versorgungsschaltkreis eine erste Spannungsquelle (V1) und einen ersten Kondensator (25), der quer über den ersten Versorgungsschaltkreis angeschlossen ist, aufweist; Abtrennen und Wiederanschließen des ersten Versorgungsschaltkreises von der und an die Wicklung; Übertragen von Energie über einen elektrischen Anschluss von der Wicklung zu einem zweiten Versorgungsschaltkreis, welcher eine zweite Spannungsquelle (V2) und einen zweiten Kondensator (29), der quer über den zweiten Versorgungsschaltkreis angeschlossen ist, aufweist, wenn der erste Versorgungsschaltkreis abgetrennt ist, um dabei die zweite Spannungsquelle aufzuladen; und selektives Anschließen des zweiten Versorgungsschaltkreises um die Wicklung mit einer Spannung zu versorgt, die größer ist, als die, die von der ersten Spannungsquelle alleine verfügbar ist, um dabei den Antrieb in einer Hochleistungs-Betriebsart zu betreiben.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die zweite Spannungsquelle bis zu einem vorbestimmten Wert aufgeladen wird, der höher ist, als die Spannungsnenngröße der ersten Spannungsquelle, beispielsweise zwei oder drei Mal der der ersten Spannungsquelle.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die ersten und die zweiten Spannungsquellen in Serie angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die ersten und die zweiten Spannungsquellen parallel angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Schritt des Übertragens den Schritt miteinbezieht, Energie von der Wicklung zu der zweiten Spannungsquelle über einen Energierückleitungspfad zu leiten, welcher eine Diode (23) aufweist, die zwischen einem Ende der Wicklung und der zweiten Spannungsquelle in einer Weise angeordnet ist, um Energie von der Wicklung zu der zweiten Spannungsquelle zu übertragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Wicklung in Serie mit und zwischen einem Schalterpaar (21, 28) angeschlossen ist, und der Schritt des Schaltens das Schalten des Schalterpaars zwischen offenen und geschlossenen Positionen miteinbezieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, welches das Ermitteln, wann die zweite Spannungsquelle auf ein vorbestimmtes Niveau aufgeladen ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, welches das Verändern des Schrittes des Schaltens aufweist, um die zu der zweiten Spannungsquelle übertragene Energie zu vermindern, wenn die zweite Spannungsquelle auf ein vorbestimmtes Niveau aufgeladen ist.