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WO2021105079A1 - Steuereinrichtung, wechselrichter, anordnung mit einem wechselrichter und einer elektrischen maschine, verfahren zum betreiben eines wechselrichters sowie computerprogramm - Google Patents

Steuereinrichtung, wechselrichter, anordnung mit einem wechselrichter und einer elektrischen maschine, verfahren zum betreiben eines wechselrichters sowie computerprogramm Download PDF

Info

Publication number
WO2021105079A1
WO2021105079A1 PCT/EP2020/083122 EP2020083122W WO2021105079A1 WO 2021105079 A1 WO2021105079 A1 WO 2021105079A1 EP 2020083122 W EP2020083122 W EP 2020083122W WO 2021105079 A1 WO2021105079 A1 WO 2021105079A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
control device
modulation
inverter
type
operating parameter
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/083122
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Panagiotis MANTZANAS
Dr. Daniel KÜBRICH
Prof. Dr.-Ing. Thomas DÜRBAUM
Dr. Alexander BUCHER
Dr. Alexander PAWELLEK
Christian HASENOHR
Harald Hofmann
Original Assignee
Valeo Siemens Eautomotive Germany Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Siemens Eautomotive Germany Gmbh filed Critical Valeo Siemens Eautomotive Germany Gmbh
Priority to EP20812251.5A priority Critical patent/EP4066372A1/de
Priority to US17/780,836 priority patent/US12074550B2/en
Priority to CN202080080710.3A priority patent/CN114846741A/zh
Publication of WO2021105079A1 publication Critical patent/WO2021105079A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/085—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation wherein the PWM mode is adapted on the running conditions of the motor, e.g. the switching frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current

Definitions

  • Control device inverter, arrangement with an inverter and an electrical machine, method for operating an inverter and computer program
  • the present invention relates to a control device for an inverter feeding an electrical machine, the control device being set up to provide pulse-width-modulated switching signals for controlling switching elements of the inverter.
  • the invention relates to an inverter, an arrangement with an inverter and an electrical machine, a method for operating an inverter and a computer program.
  • switching losses inevitably arise, which have a strong influence on the overall efficiency of an arrangement made up of the inverter and an electrical machine.
  • the switching losses can make up a significant proportion of the inverter losses.
  • a peak-valley value of a DC link voltage of the inverter is a limitation that must be strictly observed.
  • the lower the maximum permissible peak-valley value the greater the DC link capacitance of the inverter must be.
  • an intermediate circuit capacitor is required, which in turn is undesirable.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a possibility for reducing switching losses during operation and / or for reducing the required inter mediate circuit capacity.
  • control device of the type mentioned at the outset in that the control device is set up to assign a type of modulation by means of which the pulse-width-modulated switching signals are generated, depending on operating point information that describes an operating point defined by at least one operating parameter determine men and to use a first type of modulation in at least a first work area and a second type of modulation in a further work area.
  • the invention is based on the knowledge that different types of modulation cause switching losses of different magnitudes on the one hand, but also result in different peak-valley values of an intermediate circuit voltage depending on the operating point defined by the at least one operating parameter.
  • the invention therefore proposes using the first type of modulation in at least one first working range in which the second type of modulation, which typically causes lower switching losses, generates excessively high peak-valley values of the intermediate circuit voltage.
  • the invention thus allows a reduction in the switching losses during operation of the inverter with an essentially unchanged maximum peak-valley value of the intermediate circuit voltage occurring over all working points.
  • the first type of modulation is a continuous type of pulse width modulation, in particular SVM (Space Vector Modulation).
  • the second type of modulation can be discontinuous Pulse width modulation type, in particular GDPWM (Generalized Discontinous Pulse Width Modulation).
  • an operating parameter is a torque of the electrical machine or a current strength of a machine current of the electrical machine.
  • a first working area or a plurality of first working areas lies within an operating parameter interval defined by a lower operating parameter limit and an upper operating parameter limit. It was found experimentally and simulatively that the second type of modulation can be replaced by the first type of modulation under typical operating conditions from a certain amount of torque or the current strength of the machine current to reduce the peak-valley value of the intermediate circuit voltage.
  • the operating parameter limit which is smaller in terms of amount, is typically at least 10%, preferably at least 25%, particularly preferably at least 40%, of a maximum value of the operating parameter in terms of amount.
  • the operating parameter limits of the or a respective first work area have the same sign. For positive and / or negative operating parameters, several first working areas, each with an operating parameter interval, can be provided.
  • the first work area or the first work areas are limited by the operating parameter interval or the operating parameter intervals.
  • an operating parameter is a speed of the electrical machine.
  • the at least one first working range lies within a speed interval defined by a lower speed limit and an upper speed limit.
  • the second type of modulation can be replaced by the first type of modulation under typical operating conditions for certain speed values to reduce the peak-valley value of the intermediate circuit voltage.
  • the lower speed limit is at least 5%, preferably at least 10%, particularly preferably at least 15%, of a maximum speed.
  • the or a respective working range is limited by the speed interval and / or the operating parameter interval related to the torque or the current intensity.
  • an operating parameter is an intermediate circuit voltage of the inverter.
  • the type of modulation can be set even more precisely as a function of a measured intermediate circuit voltage.
  • the working ranges are determined in such a way that a peak-valley value of an intermediate circuit voltage of the inverter does not exceed a predetermined value.
  • working ranges in continuous load operation are determined in such a way that the peak-valley value of the intermediate circuit voltage does not exceed a predetermined second value that is smaller than the first value.
  • the first value is at least 1.5 times, preferably at least 1.8 times, and / or at most 3 times, in particular at most 2.5 times, the second value.
  • the first value and / or the second value can be a function of an operating parameter, for example the torque or the machine current.
  • a further value of the peak-valley value of the intermediate circuit voltage that is not to be exceeded is specified for further work areas.
  • control device is set up to provide the switching signals with the same carrier frequency when both types of modulation are used.
  • the control device is set up to provide the switching signals with a different, in particular lower, carrier frequency when using the first type of modulation than when using the second type of modulation.
  • a higher carrier frequency for the second type of modulation the maximum of the peak-valley value of the intermediate circuit voltage can be significantly reduced across all working points both in continuous load operation and in high-load operation, which also makes it possible to reduce the capacity of the intermediate circuit capacitor compared to a Operation in which the first type of modulation with the lower carrier frequency is used in all operating points.
  • the maximum value of the switching losses is also reduced across all working points, especially if the discontinuous type of modulation is used in the total th high-load operation.
  • the carrier frequency of the second type of modulation is preferably at least 10% greater than the carrier frequency when using the first type of modulation.
  • the carrier frequency of the first type of modulation and / or of the second type of modulation can be specified as a function of the working point.
  • control device In order to enable a particularly low-cost implementation of the control device according to the invention, it is preferably set up to determine the type of modulation to be used by means of a characteristic map that assigns a respective one of the types of modulation to the at least one operating parameter.
  • the A characteristic map can be implemented, for example, by a look-up table.
  • the control device has a memory unit in which the characteristics map is stored.
  • control device can be set up to determine the type of modulation to be used on the basis of a function that evaluates the at least one operating parameter.
  • the map or the calculation rule can be determined, for example, by measurement or simulation for a specific configuration of the inverter and the electrical machine.
  • the control device can furthermore be set up to determine the type of modulation to be used when receiving updated work point information and / or after a predetermined or predeterminable time span and / or after the end of an electrical period of the electrical machine. In this way, the type of modulation can be adapted to the current operating point at appropriate times.
  • control device is set up to extract the operating point information from torque information received at an input and / or rotational speed information received at an input and / or current information describing the amperage of the machine current and / or current information describing the intermediate circuit voltage To determine voltage information and / or to estimate the operating point information in the context of a control system for determining the switching signals.
  • the torque can also be determined from the stream information.
  • an inverter comprising an intermediate circuit capacitor, switching elements which are connected up to control an intermediate circuit voltage applied to the intermediate circuit capacitor as a function of the switching elements To convert switching signals into a single or multi-phase alternating voltage, and a control device according to the invention.
  • the intermediate circuit capacitor can be formed by a single capacitor element or by several capacitor elements connected in parallel and / or in series.
  • the inverter can also include an analog-digital converter, which is set up to convert analog measurement signals into the current information and / or the voltage information and / or the torque information and / or the speed information.
  • an analog-digital converter which is set up to convert analog measurement signals into the current information and / or the voltage information and / or the torque information and / or the speed information.
  • the object on which the invention is based is also achieved by an arrangement with an inverter according to the invention and an electrical machine which can be operated by means of the alternating voltage.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a method for operating an inverter for supplying an electrical machine, comprising the following steps carried out by a control device: Determining a type of modulation by means of which pulse-width-modulated switching signals for controlling switching elements of the inverter are generated as a function of an operating point information that describes an operating point defined by at least one operating parameter, a first type of modulation being used in at least one first operating area and a second type of modulation being used in a further operating area; and providing the switching signals.
  • the object on which the invention is based is achieved by a computer program comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause the computer to execute the steps of the method according to the invention carried out by the control device.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of an arrangement according to the invention with an exemplary embodiment of an inverter according to the invention and a first embodiment of a control device according to the invention;
  • Fig. 2 is a torque-speed diagram with Ar work areas during operation of the arrangement with the first exemplary embodiment from the control device;
  • FIG. 3 shows a torque-speed diagram with insulated lines of peak-valley values of an intermediate circuit voltage during operation of the arrangement with the first exemplary embodiment of the control device;
  • Fig. 4 shows a torque-speed diagram with drawn Isoli lines of total losses during operation of the arrangement with the first embodiment of the control device
  • Fig. 5 is a torque-speed diagram with drawn Isoli lines of percentage changes in total losses when operating the arrangement with the first embodiment of the Control device compared to an arrangement according to the prior art;
  • FIG. 6 and 7 each show a torque-speed diagram with working areas drawn in during the operation of an arrangement according to FIG. 1 with further exemplary embodiments of the control device;
  • FIG. 8 shows a diagram of a possible percentage reduction of an inter mediate circuit capacitance over the carrier frequency of the second type of modulation with a constant carrier frequency of the first type of modulation
  • FIGS. 10 and 11 each show a torque-speed diagram with working areas drawn in during the operation of an arrangement according to FIG. 1 with further exemplary embodiments of the control device.
  • Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of an arrangement 1 to summarize an embodiment of an inverter 2 and an electrical Ma machine 3, which is set up to drive a partially or fully electrically drivable vehicle.
  • the arrangement 1 also includes a DC voltage source 4, which is designed in the present case as a high-voltage battery.
  • the inverter 2 comprises a filter device 5, which in the present case is designed as an EMC filter, an intermediate circuit capacitor 6, a power unit 7, an exemplary embodiment of a control device 8, a first measuring device 9, a second measuring device 10 and an analog-to-digital converter device
  • the power unit 7 comprises a plurality of switching elements 12, which are designed as semiconductor switching elements, for example as IGBT or power MOSFET.
  • the switching elements 12 are connected in pairs to form half bridges.
  • a control input 13 of a respective switching element 12, a driver 14 is switched upstream. For the sake of clarity, only one switching element 12 and one driver 14 are provided with reference symbols.
  • the drivers 14 receive pulse-width-modulated switching signals 15 from the control device 8, which are provided in such a way that an output voltage for supplying the electrical machine 3 is provided at a respective tap of the half-bridges.
  • the power unit 7 therefore converts, as a function of the switching signals 15, an intermediate circuit voltage stabilized by the intermediate circuit capacitor 6 into an alternating voltage that is present in three phases.
  • the voltage present at the intermediate circuit capacitor 6 is therefore to be understood as the intermediate circuit voltage.
  • the first measuring device 9 is set up to detect a machine current and to provide measurement signals to the analog-digital converter device 11, which converts the analog measurement signals from the first measuring device 9 into digital current information 16.
  • the second measuring device 10 is set up accordingly to detect a speed of the electrical machine 3 and to provide measurement signals to the analog-digital converter device 11, which converts the analog measurement signals of the second measuring device 10 into digital speed information 17.
  • the speed information 17 can already be provided digitally by the second measuring device 10.
  • the control device 8 receives the current information 16 and the speed information 17 on the input side. From this, it determines a torque information that describes the torque of the electrical machine 3. Alternatively, the torque information can also be estimated by the control device 8 as part of a regulation for determining the switching signals 15.
  • a third measuring device 18 is optionally provided in the inverter 2, which detects an intermediate circuit voltage present across the intermediate circuit capacitor 6.
  • the analog measurement signals of the third measurement device 18 are converted into a voltage information 19 by the analog-to-digital converter device 11, which the control device 8 also holds on the input side.
  • the control device 8 determines operating point information which describes an operating point defined by a tuple of operating parameters.
  • the operating parameters are the torque of the electrical machine 3 and also a speed of the electrical machine.
  • a current strength of the machine current of the electrical machine 3 determined on the basis of the current information 16 can be used as an operating parameter.
  • the operating point information can also include the intermediate circuit voltage as an operating parameter.
  • the control device 8 is set up to determine a type of modulation, by means of which the pulse-width-modulated switching signals 15 are generated, as a function of the operating point information.
  • the control device 8 comprises a memory unit 20, in which a characteristic map implemented as a look-up table, which is assigned to pairs of rotational speed values and torque values, is stored with a type of modulation.
  • the control device 8 selects a corresponding type of modulation based on the operating point information from the map.
  • a uniform carrier frequency of, for example, 10 kHz is used for both types of modulation.
  • Fig. 2 is a torque-speed diagram with drawn Häberei surfaces during the operation of the arrangement 1 shown in Fig. 1, wherein a torque is generally designated with M and a speed with f rot .
  • the map has a first working range 21 which lies between a positive lower torque limit 22 and a likewise positive upper torque limit 23 and is limited by the upper torque limit 23.
  • the first working range 21 is also between a lower operating parameter limit 24 and an upper operating parameter limit 25, which in the present case are speed limits.
  • the first working range 21 extends from a basic speed mode 26 to a power limiting mode 27.
  • another first working range 28 can also be seen, which extends from a full load line 29, at which there is a maximum torque in terms of amount, to a lower amount Torques extends.
  • Further first working areas 30, 31 are defined for negative torques. The remaining working points lie in a second working area 32.
  • the control device is set up to provide a continuous type of pulse width modulation in the first working areas 21, 28, 30, 31, here space vector modulation (SVM), and in the second working area 32 a discontinuous type of pulse width modulation, here Generalized Discontinous Pulse Width Modulation (GDPMW) to use to generate the switching signals 15.
  • SVM space vector modulation
  • GDPMW Generalized Discontinous Pulse Width Modulation
  • the working ranges 21, 28, 30 to 32 are determined so that a peak-valley value of an intermediate circuit voltage of the inverter does not exceed a predetermined first value when the electrical machine 3 is in a high-load operation 33, 34, and one second value, which is, for example, smaller by a factor of 2 than the first value when the electrical machine 3 is in continuous load operation 35.
  • the first value is 27.3 V and the second value is 13.65 V.
  • a torque-speed diagram in FIG. 3 with isolines of peak-valley values of the intermediate circuit voltage during operation of the arrangement 1 is shown infer that by the working point-dependent Specification of the modulation types these values are not exceeded.
  • 4 is a torque-speed diagram with isolines of total losses, defined as a sum of switching losses and conduction losses in the inverter 2, during operation of the arrangement 1.
  • FIG. 5 shows a torque-speed diagram for this purpose Isolines of percentage changes in the total losses compared to an arrangement corresponding to arrangement 1 according to the prior art, in which only SVM is used. It can be seen from FIG. 5 that in the second working area 32 there is a considerable reduction in the total losses compared to an exclusive use of SVM.
  • the following table 1 shows in a column “SVM 10 kHz” operating properties of this arrangement according to the state of the art as reference, in a column “GDPWM 10 kHz” for comparison corresponding operating properties with exclusive use of GDPWM and in a column “SVM 10 kHz and GDPWM 10 kHz "corresponding operating properties when operating the arrangement 1 according to the present embodiment.
  • This is shown for three intermediate circuit voltages of 270 V, 350 V and 450 V at a constant carrier frequency of 10 kHz.
  • a value of 650 pF is assumed as the intermediate circuit capacitance.
  • UDC the peak-to-peak of
  • the first working areas each show in a torque-speed diagram the limitations of the first working areas, which are represented by lines 38 to 42, in further embodiments for a carrier frequency of 10 kHz when using SVM and different carrier frequencies in the Use of GDPMW in comparison to the limitations of the first working areas, which are represented by lines 44, in the first embodiment, in which the carrier frequency is 10 kHz for GDPWM as well.
  • the lines 38 refer to a carrier frequency of 6 kHz
  • the lines 39 to a carrier frequency of 8 kHz
  • the lines 40 to a carrier frequency of 11 kHz
  • the lines 41 to a carrier frequency of 12 kHz
  • the line 42 to a carrier frequency of 13 kHz.
  • the first working areas visibly decrease with increasing carrier frequency when using GDPWM.
  • the choice of the carrier frequency when using GDPWM influences the global maximum of the peak-valley value of the intermediate circuit voltage and thus the possible reduction in the intermediate circuit capacitance, the maximum total losses and the partial load efficiency.
  • the carrier frequency increases when GDPWM is used, the global maximum of the peak-valley value of the intermediate circuit voltage falls, which enables the intermediate circuit capacitance to be reduced.
  • Fig. 8 shows a diagram of the possible percentage reduction of the intermediate circuit capacitance over the carrier frequency of the second type of modulation with a constant carrier frequency of the first type of modulation using a line 49.
  • a line 50 is also shown, the maximum possible reduction in DC link capacity with exclusive use of GDPWM in comparison to the exclusive use of SVM.
  • FIG. 9 shows a diagram of the maximum percentage reduction in the total losses over the carrier frequency of the second type of modulation at a constant carrier frequency of the first type of modulation.
  • a line 51 describes the maximum relative reduction in total losses with an intermediate circuit voltage of 270 V
  • a line 52 the maximum relative reduction in total losses with an intermediate circuit voltage of 350 V
  • line 53 the maximum relative reduction in total losses with an intermediate circuit voltage voltage of 450 V.
  • FIGS. 10 and 11 are each a torque-speed diagram with working areas drawn in in an arrangement 1 according to FIG. 1 with further exemplary embodiments of the control device 8.
  • FIGS. 10 and 11 show qualitatively the arrangement of first working areas 21, 30 and second Work areas 32, 32a,
  • the first working range 21 for positive torques is limited only by the lower torque limit 22 and the upper torque limit 23, regardless of the speed.
  • the further first working range 30 for negative torques is also limited independently of the speed by a lower torque limit 22a and an upper torque limit 23a.
  • the first working range 21 for positive torques by the lower torque limit 22 and the upper torque limit 23 and by the lower speed limit 24 and the upper speed limit 25 is limited.
  • the further first working range 30 for negative torques is through the lower torque limit 22a and the upper one Torque limit 23a and limited by the lower speed limit 24a and the upper speed limit 25a.
  • control device 8 can, as an alternative to using a characteristic map, be set up to determine the type of modulation to be used on the basis of a function evaluating the at least one operating parameter.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Steuereinrichtung (8) für einen eine elektrische Maschine (3) speisenden Wechselrichter (2), wobei die Steuereinrichtung (8) zum Bereitstellen von pulsweitenmodulierten Schaltsignalen (15) zum Ansteuern von Schaltelementen (12) des Wechselrichters (2) eingerichtet ist, wobei die Steuereinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, eine Modulationsart, mittels welcher die pulsweitenmodulierten Schaltsignale (15) erzeugt werden, in Abhängigkeit einer Arbeitspunktinformation, die einen durch wenigstens einen Betriebsparameter definierten Arbeitspunkt beschreibt, zu bestimmen und in wenigstens einem ersten Arbeitsbereich (21, 28, 30, 31) eine erste Modulationsart und in einem weiteren Arbeitsbereich (32, 32a, 32b) eine zweite Modulationsart zu verwenden.

Description

Steuereinrichtung, Wechselrichter, Anordnung mit einem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine, Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters sowie Computerprogramm
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen eine elektrische Maschine speisenden Wechselrichter, wobei die Steuereinrichtung zum Bereitstel len von pulsweitenmodulierten Schaltsignalen zum Ansteuern von Schaltelemen ten des Wechselrichters eingerichtet ist.
Daneben betrifft die Erfindung einen Wechselrichter, eine Anordnung mit einem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine, ein Verfahren zum Betreiben ei nes Wechselrichters sowie ein Computerprogramm.
Durch die zunehmende Bedeutung elektrisch angetriebener Fahrzeuge sind Wechselrichter und zugehörige Steuereinrichtungen für solche Anwendungsge biete in den Fokus industrieller Entwicklungsbemühungen gerückt. Es sind derar tige Steuereinrichtungen bekannt, die pulsweitenmodulierte Schaltsignale mit einer vorgegebenen Modulationsart zum Ansteuern von Schaltelementen des Wechsel richters bereitstellen.
Im Rahmen eines solchen Schaltbetriebs entstehen unweigerlich Schaltverluste, die einen starken Einfluss auf die Gesamteffizienz einer Anordnung aus dem Wechselrichter und einer elektrischen Maschine haben. Insbesondere bei einem Teillastbetrieb können die Schaltverluste einen wesentlichen Anteil an Gesamtver lusten des Wechselrichters ausmachen.
Gleichzeitig stellt ein Spitze-Tal-Wert einer Zwischenkreisspannung des Wechsel richters, insbesondere bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, eine strikt einzu haltende Begrenzung dar. Je geringer der maximal zulässige Spitze-Tal-Wert ist, desto größer muss eine Zwischenkreiskapazität des Wechselrichters sein. Dabei führt eine Vergrößerung der Zwischenkreiskapazität zu einem höheren Bauraum bedarf eines Zwischenkreiskondensators, was wiederum unerwünscht ist.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Reduktion von Schaltverlusten beim Betrieb und/oder zur Reduktion der erforderlichen Zwi schenkreiskapazität anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der Steuerungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Modulationsart, mittels welcher die pulsweitenmodulierten Schaltsignale er zeugt werden, in Abhängigkeit einer Arbeitspunktinformation, die einen durch we nigstens einen Betriebsparameter definierten Arbeitspunkt beschreibt, zu bestim men und in wenigstens einem ersten Arbeitsbereich eine erste Modulationsart und in einem weiteren Arbeitsbereich eine zweite Modulationsart zu verwenden.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass unterschiedliche Modulationsarten einerseits unterschiedlich hohe Schaltverluste verursachen, andererseits aber auch in Abhängigkeit des durch den wenigstens einen Betriebsparameter definier ten Arbeitspunkts unterschiedlich hohe Spitze-Tal-Werte einer Zwischenkreisspan nung nach sich ziehen. Die Erfindung schlägt daher vor, die erste Modulationsart im wenigstens einen ersten Arbeitsbereich zu verwenden, in welchem die typi scherweise geringere Schaltverluste verursachende zweite Modulationsart zu hohe Spitze-Tal-Werte der Zwischenkreisspannung erzeugt. Vorteilhafterweise er laubt die Erfindung so eine Verringerung der Schaltverluste während des Betriebs des Wechselrichters bei im Wesentlichen unverändertem maximal über alle Ar beitspunkte auftretenden Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreisspannung.
Bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung ist bevorzugt vorgesehen, dass die erste Modulationsart eine kontinuierliche Pulsweitenmodulationsart, insbesondere SVM (Space Vector Modulation - Raumzeigermodulation), ist. Alternativ oder zu sätzlich kann die zweite Modulationsart eine diskontinuierliche Pulsweitenmodulationsart, insbesondere GDPWM (Generalized Discontinous Pulse Width Modulation), sein.
Es wird bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung ferner bevorzugt, wenn ein Betriebsparameter ein Drehmoment der elektrischen Maschine oder eine Strom stärke eines Maschinenstroms der elektrischen Maschine ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass ein erster Arbeitsbereich oder mehrere erste Arbeitsbereiche innerhalb eines durch eine untere Betriebsparametergrenze und eine obere Betriebsparametergrenze definierten Betriebsparameterintervalls liegt. Es wurde experimentell und simulativ festgestellt, dass die zweite Modulationsart bei typischen Betriebsbedingungen ab einem bestimmten Betrag des Drehmo ments bzw. der Stromstärke des Maschinenstroms zur Reduktion des Spitze-Tal- Werts der Zwischenkreisspannung durch die erste Modulationsart ersetzt werden kann. Typischerweise beträgt die betragsmäßig kleinere Betriebsparametergrenze wenigstens 10 %, bevorzugt wenigstens 25 %, besonders bevorzugt wenigstens 40 %, einer betragsmäßig maximalen Ausprägung des Betriebsparameters. Typi scherweise weisen die Betriebsparametergrenzen des oder eines jeweiligen ers ten Arbeitsbereichs das gleiche Vorzeichen auf. Es können für positive und/oder negative Betriebsparameter mehrere erste Arbeitsbereiche mit jeweils einem Be triebsparameterintervall vorgesehen sein.
Bei einer besonders einfach implementierbaren Ausgestaltung ist der erste Ar beitsbereich oder sind die ersten Arbeitsbereiche durch das Betriebsparameterin tervall oder die Betriebsparameterintervalle begrenzt.
Es kann bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung ferner vorgesehen sein, dass ein Betriebsparameter eine Drehzahl der elektrischen Maschine ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine erste Arbeitsbereich inner halb eines durch eine untere Drehzahlgrenze und eine obere Drehzahlgrenze defi nierten Drehzahlintervalls liegt. Auch hier konnte experimentell und simulativ festgestellt werden, dass die zweite Modulationsart bei typischen Betriebsbedin gungen für bestimmte Drehzahlwerte zur Reduktion des Spitze-Tal-Werts der Zwi schenkreisspannung durch die erste Modulationsart ersetzt werden kann. Typi scherweise beträgt die kleinere Drehzahlgrenze wenigstens 5 %, bevorzugt we nigstens 10 %, besonders bevorzugt wenigstens 15 %, einer maximalen Drehzahl.
Gemäß einer besonders einfach implementierbaren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der oder ein jeweiliger Arbeitsbereich durch das Drehzahlintervall und/oder das auf das Drehmoment bzw. die Stromstärke bezogene Betriebsparameterinter vall begrenzt ist.
Mit Vorteil kann ferner vorgesehen sein, dass ein Betriebsparameter eine Zwi schenkreisspannung des Wechselrichters ist. So lässt sich die Modulationsart in zusätzlicher Abhängigkeit einer gemessenen Zwischenkreisspannung noch präzi ser einstellen.
Es wird bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung bevorzugt, wenn die Ar beitsbereiche derart bestimmt sind, dass ein Spitze-Tal-Wert einer Zwischenkreis spannung des Wechselrichters einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass in einem Dauerlastbetrieb liegende Arbeitsbereiche derart bestimmt sind, dass der Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreisspannung einen vorgegebenen zweiten Wert, der kleiner als der erste Wert ist, nicht überschreitet. Dadurch können unterschied lich zulässige Spitze-Tal-Werte der Zwischenkreisspannung für den Dauerlastbe trieb und einen Hochlastbetrieb oder Volllastbetrieb der elektrischen Maschine re alisiert werden. Es wird bevorzugt, wenn der erste Wert wenigstens das 1 ,5-fache, bevorzugt wenigstens das 1 ,8-fache, und/oder höchstens das 3-fache, insbeson dere höchstens das 2,5-fache, des zweiten Werts ist. Es ist auch möglich, dass der erste Wert und/oder der zweite Wert eine Funktion eines Betriebsparameters, beispielsweise des Drehmoments oder des Maschinenstroms, ist. Darüber hinaus ist es möglich, dass für weitere Arbeitsbereiche jeweils ein nicht zu überschreitender weiterer Wert des Spitze-Tal-Werts der Zwischenkreisspan nung vorgegeben ist.
Gemäß einer Ausgestaltungsvariante kann vorgesehen sein, dass die erfindungs gemäße Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Schaltsignale bei Verwendung beider Modulationsarten mit derselben Trägerfrequenz bereitzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist die erfindungsgemäße Steu ereinrichtung jedoch dazu eingerichtet ist, die Schaltsignale bei Verwendung der ersten Modulationsart mit einer anderen, insbesondere niedrigeren, Trägerfre quenz als bei Verwendung der zweiten Modulationsart bereitzustellen. Durch die Verwendung einer höheren Trägerfrequenz für die zweite Modulationsart kann das Maximum des Spitz-Tal-Werts der Zwischenkreisspannung über alle Arbeits punkte sowohl im Dauerlastbetrieb als auch im Hochlastbetrieb erheblich reduziert werden, was es zusätzlich ermöglicht, die Kapazität des Zwischenkreiskondensa tors im Vergleich zu einem Betrieb, in welchem die erste Modulationsart mit der niedrigeren Trägerfrequenz in allen Arbeitspunkten verwendet wird, zu reduzieren. Gleichsam reduziert sich auch der Maximalwert der Schaltverluste über alle Ar beitspunkte, insbesondere wenn die diskontinuierliche Modulationsart im gesam ten Hochlastbetrieb verwendet wird. Bevorzugt ist die Trägerfrequenz der zweiten Modulationsart um wenigstens 10 % größer als die Trägerfrequenz bei Verwen dung der ersten Modulationsart.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Trägerfrequenz der ers ten Modulationsart und/oder der zweiten Modulationsart in Abhängigkeit des Ar beitspunkts vorgebbar ist.
Um eine besonders aufwandsarme Implementierung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung zu ermöglichen, ist diese bevorzugt dazu eingerichtet, die zu verwendende Modulationsart durch ein Kennfeld, das dem wenigstens einen Be triebsparameter eine jeweilige der Modulationsarten zuordnet, zu ermitteln. Das Kennfeld kann beispielsweise durch eine Look-Up-Tabelle realisiert sein. Typi scherweise weist die Steuereinrichtung eine Speichereinheit auf, in welcher das Kennfeld gespeichert ist.
Alternativ zur Verwendung eines Kennfeldes kann die erfindungsgemäße Steuer einrichtung dazu eingerichtet sein, die zu verwendende Modulationsart anhand ei ner den wenigstens einen Betriebsparameter auswertenden Funktion zu ermitteln.
Das Kennfeld oder die Berechnungsvorschrift kann beispielsweise durch Messung oder Simulation für eine bestimmte Konfiguration des Wechselrichters und der elektrischen Maschine ermittelt worden sein.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, eine die zu verwendende Modulationsart jeweils bei Erhalt einer aktualisierten Arbeits punktinformation und/oder nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne und/oder nach Abschluss einer elektrischen Periode der elektrischen Maschine zu ermitteln. So kann die Modulationsart zu zweckmäßigen Zeitpunkten jeweils an den momentanen Arbeitspunkt angepasst werden.
Es ist ferner möglich, dass die erfindungsgemäße Steuereinrichtung dazu einge richtet ist, die Arbeitspunktinformation aus einer an einem Eingang erhaltenen Drehmomentinformation und/oder einer an einem Eingang erhaltenen Drehzahlin formation und/oder einer die Stromstärke des Maschinenstroms beschreibenden Strominformation und/oder einer die Zwischenkreisspannung beschreibenden Spannungsinformation zu ermitteln und/oder die Arbeitspunktinformation im Rah men einer Regelung zur Ermittlung der Schaltsignale zu schätzen. Aus der Stro minformation kann auch das Drehmoment ermittelbar sein.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Wechselrichter, umfassend einen Zwischenkreiskondensator, Schaltelemente, die dazu verschaltet sind, eine am Zwischenkreiskondensator anliegende Zwischen kreisspannung in Abhängigkeit von die Schaltelemente ansteuernden Schaltsignalen in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung zu wandeln, und eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung.
Der Zwischenkreiskondensator kann durch ein einziges Kondensatorelement oder durch mehrere parallel und/oder in Reihe verschaltete Kondensatorelemente aus gebildet sein.
Der Wechselrichter kann ferner einen Analog-Digital-Umsetzer umfassen, welcher dazu eingerichtet ist, analoge Messsignale in die Strom Information und/oder die Spannungsinformation und/oder die Drehmomentinformation und/oder die Dreh zahlinformation umzusetzen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Wechselrichter und einer elektrischen Maschine, die mittels der Wechselspannung betreibbar ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird daneben gelöst durch ein Ver fahren zum Betreiben eines Wechselrichters zum Versorgen einer elektrischen Maschine, umfassend folgende von einer Steuereinrichtung durchgeführte Schritte: Bestimmen einer Modulationsart, mittels welcher pulsweitenmodulierte Schaltsignale zum Ansteuern von Schaltelementen des Wechselrichters erzeugt werden, in Abhängigkeit einer Arbeitspunktinformation, die einen durch wenigs tens einen Betriebsparameter definierten Arbeitspunkt beschreibt, wobei in we nigstens einem ersten Arbeitsbereich eine erste Modulationsart und in einem wei teren Arbeitsbereich eine zweite Modulationsart verwendet wird; und Bereitstellen der Schaltsignale.
Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die von der Steuereinrichtung durch geführten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, zum erfin dungsgemäßen Wechselrichter, und zur erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Computerprogramm übertragen, sodass auch mit diesen die zuvor genannten Vor teile erzielt werden könnten
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeich nungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungs- gemäßen Anordnung mit einem Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Wechselrichters und einem ersten Ausführungs beispiel einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;
Fig. 2 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Ar beitsbereichen beim Betrieb der Anordnung mit dem ersten Aus führungsbeispiel der Steuereinrichtung;
Fig. 3 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Isoli nien von Spitze-Tal-Werten einer Zwischenkreisspannung beim Betrieb der Anordnung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung;
Fig. 4 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Isoli nien von Gesamtverlusten beim Betrieb der Anordnung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung;
Fig. 5 ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Isoli nien von prozentualen Veränderungen von Gesamtverlusten beim Betrieb der Anordnung mit dem ersten Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung im Vergleich zu einer Anordnung nach dem Stand der Technik;
Fig. 6 und 7 jeweils ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Arbeitsbereichen beim Betrieb einer Anordnung gemäß Fig. 1 mit weiteren Ausführungsbeispielen der Steuereinrichtung;
Fig. 8 ein Diagramm einer möglichen prozentualen Reduktion einer Zwi schenkreiskapazität über die Trägerfrequenz der zweiten Modula tionsart bei konstanter Trägerfrequenz der ersten Modulationsart;
Fig. 9 ein Diagramm einer maximalen prozentualen Reduktion der Ge samtverluste über die Trägerfrequenz der zweiten Modulationsart bei konstanter Trägerfrequenz der ersten Modulationsart; und
Fig. 10 und 11 jeweils ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Arbeitsbereichen beim Betrieb einer Anordnung gemäß Fig. 1 mit weiteren Ausführungsbeispielen der Steuereinrichtung.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung 1 , um fassend ein Ausführungsbeispiel eines Wechselrichters 2 und eine elektrische Ma schine 3, die zum Antrieb eines teilweise oder vollständig elektrisch antreibbaren Fahrzeugs eingerichtet ist. Die Anordnung 1 umfasst ferner eine Gleichspan nungsquelle 4, die vorliegend als Hochvoltbatterie ausgebildet ist.
Der Wechselrichter 2 umfasst eine Filtereinrichtung 5, die vorliegend als EMV- Filter ausgebildet ist, einen Zwischenkreiskondensator 6, eine Leistungseinheit 7, ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung 8, eine erste Messeinrichtung 9, eine zweite Messeinrichtung 10 sowie eine Analog-Digital-Umsetzereinrichtung Die Leistungseinheit 7 umfasst mehrere Schaltelemente 12, die als Halbleiter- Schaltelemente, beispielsweise als IGBT oder Leistungs-MOSFET, ausgebildet sind. Die Schaltelemente 12 sind paarweise zu Halbbrücken verschaltet. Einem Steuereingang 13 eines jeweiligen Schaltelements 12 ist ein Treiber 14 vorge schaltet. Dabei sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein Schaltelement 12 und ein Treiber 14 mit Bezugszeichen versehen. Die Treiber 14 erhalten puls weitenmodulierte Schaltsignale 15 von der Steuereinrichtung 8, welche derart be reitgestellt werden, dass an einem jeweiligen Abgriff der Halbbrücken eine Aus gangsspannung zur Speisung der elektrischen Maschine 3 bereitgestellt wird. Die Leistungseinheit 7 richtet mithin in Abhängigkeit der Schaltsignale 15 eine durch den Zwischenkreiskondensator 6 stabilisierte Zwischenkreisspannung in eine, vor liegend dreiphasige, Wechselspannung um. Als Zwischenkreisspannung ist mithin die am Zwischenkreiskondensator 6 anliegende Spannung aufzufassen.
Die erste Messeinrichtung 9 ist dazu eingerichtet, einen Maschinenstrom zu erfas sen und Messsignale der Analog-Digital-Umsetzereinrichtung 11 bereitzustellen, welche die analogen Messsignale der ersten Messeinrichtung 9 in eine digitale Strominformation 16 umsetzt. Die zweite Messeinrichtung 10 ist entsprechend dazu eingerichtet, eine Drehzahl der elektrischen Maschine 3 zu erfassen und Messsignale der Analog-Digital-Umsetzereinrichtung 11 bereitzustellen, welche die analogen Messsignale der zweiten Messeinrichtung 10 in eine digitale Dreh zahlinformation 17 umsetzt. Alternativ kann die Drehzahlinformation 17 bereits di gital durch die zweite Messeinrichtung 10 bereitgestellt werden. Die Steuereinrich tung 8 erhält eingangsseitig die Strominformation 16 und die Drehzahlinformation 17. Daraus ermittelt sie eine das Drehmoment der elektrischen Maschine 3 be schreibende Drehmomentinformation. Alternativ kann die Drehmomentinformation auch im Rahmen einer Regelung zur Ermittlung der Schaltsignale 15 durch die Steuereinrichtung 8 geschätzt werden.
Außerdem ist optional eine dritte Messeinrichtung 18 beim Wechselrichter 2 vor gesehen, die eine über dem Zwischenkreiskondensator 6 anliegende Zwischen kreisspannung erfasst. Die analogen Messsignale der dritten Messeinrichtung 18 werden durch die Analog-Digital-Umsetzereinrichtung 11 in eine Spannungsinfor mation 19 umgesetzt, welche die Steuereinrichtung 8 ebenfalls eingangsseitig er hält.
Anhand der Strom Information 16 und der Drehzahlinformation 17 ermittelt die Steuereinrichtung 8 eine Arbeitspunktinformation, die einen durch ein Tupel von Betriebsparametern definierten Arbeitspunkt beschreibt. Die Betriebsparameter sind vorliegend das Drehmoment der elektrischen Maschine 3 und ferner eine Drehzahl der elektrischen Maschine. Zusätzlich oder alternativ zum Drehmoment kann eine anhand der Strom Information 16 ermittelte Stromstärke des Maschinen stroms der elektrischen Maschine 3 als Betriebsparameter verwendet werden. Op tional kann die Arbeitspunktinformation zusätzlich die Zwischenkreisspannung als Betriebsparameter umfassen.
Die Steuereinrichtung 8 ist dazu eingerichtet, eine Modulationsart, mittels welcher die pulsweitenmodulierten Schaltsignale 15 erzeugt werden, in Abhängigkeit der Arbeitspunktinformation zu ermitteln. Dazu umfasst die Steuereinrichtung 8 eine Speichereinheit 20, in weicher ein als Look-Up-Tabelle realisiertes Kennfeld, das Paaren von Drehzahlwerten und Drehmomentwerten eine Modulationsart zuord net, gespeichert ist. Die Steuereinrichtung 8 wählt eine entsprechende Modulati onsart anhand der Arbeitspunktinformation aus dem Kennfeld aus.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird für beide Modulationsarten eine einheit liche Trägerfrequenz von exemplarisch 10 kHz verwendet.
Fig. 2 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Arbeitsberei chen beim Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Anordnung 1 , wobei allgemein ein Dreh moment mit M und eine Drehzahl mit frot bezeichnet werden.
Das Kennfeld weist einen ersten Arbeitsbereich 21 auf, der zwischen einer positi ven unteren Drehmomentgrenze 22 und einer ebenfalls positiven oberen Drehmo mentgrenze 23 liegt und durch die obere Drehmomentgrenze 23 begrenzt ist. Der erste Arbeitsbereich 21 liegt ferner zwischen einer unteren Betriebsparameter grenze 24 und einer oberen Betriebsparametergrenze 25, die vorliegend Dreh zahlgrenzen sind. Dabei erstreckt sich der erste Arbeitsbereich 21 von einem Grunddrehzahlbetrieb 26 in einen Leistungsbegrenzungsbetrieb 27. Zu erkennen ist in Fig. 2 auch ein weiterer erster Arbeitsbereich 28, der sich von einer Volllastli nie 29, bei der ein betragsmäßig maximales Drehmomentvorliegt, hin zu betrags mäßig geringeren Drehmomenten erstreckt. Weitere erste Arbeitsbereiche 30, 31 sind für negative Drehmomente definiert. Übrige Arbeitspunkte liegen in einem zweiten Arbeitsbereich 32.
Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, in den ersten Arbeitsbereichen 21 , 28, 30, 31 eine kontinuierliche Pulsweitenmodulationsart, hier Raumzeigermodulation (SVM - Space Vector Modulation), und im zweiten Arbeitsbereich 32 eine diskonti nuierliche Pulsweitenmodulationsart, hier Generalized Discontinous Pulse Width Modulation (GDPMW), zur Erzeugung der Schaltsignale 15 zu verwenden. Die Ar beitsbereiche 21, 28, 30 bis 32 sind dabei so bestimmt, dass ein Spitze-Tal-Wert einer Zwischenkreisspannung des Wechselrichters einen vorgegebenen ersten Wert nicht überschreitet, wenn sich die elektrische Maschine 3 in einem Hochlast betrieb 33, 34 befindet, und einen zweiten Wert, der exemplarisch um den Faktor 2 kleiner als der erste Wert ist, wenn sich die elektrische Maschine 3 in einem Dauerlastbetrieb 35 befindet. Grenzen zwischen dem Hochlastbetrieb 33, 34 und dem Dauerlastbetrieb 35 sind durch Linien 36, 37 in Fig. 2 dargestellt, die ab schnittsweise auch betragsmäßig höhere Drehmomentgrenzen, wie die obere Drehmomentgrenze 23, bilden. Die Abgrenzung zwischen Hochlastbetrieb 33, 34 und Dauerlastbetrieb 35 erfolgt hierbei anhand einer vorgegebenen Amplitude iAC des Motorstroms, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel für den Dauerlast betrieb iAC < V2 300 A angenommen wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen der erste Wert 27,3 V und der zweite Wert 13,65 V. Einem Drehmoment-Drehzahl-Diagramm in Fig. 3 mit einge zeichneten Isolinien von Spitze-Tal-Werten der Zwischenkreisspannung beim Be trieb der Anordnung 1 ist zu entnehmen, dass durch die arbeitspunktabhängige Vorgabe der Modulationsarten diese Werte nicht überschritten werden. Fig. 4 ist ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Isolinien von Gesamt verlusten, definiert als eine Summe von Schaltverlusten und Leitverlusten im Wechselrichter 2, beim Betrieb der Anordnung 1. Fig. 5 zeigt dazu ein Drehmo- ment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeichneten Isolinien von prozentualen Verän derungen der Gesamtverluste im Vergleich zu einer der Anordnung 1 entspre chenden Anordnung nach dem Stand der Technik, bei der nur SVM verwendet wird. Fig.5 kann entnommen werden, dass es im zweiten Arbeitsbereich 32 ge genüber einer ausschließlichen Verwendung von SVM zu einer erheblichen Re- duktion der Gesamtverluste kommt.
Die folgende Tabelle 1 zeigt in einer Spalte "SVM 10 kHz" Betriebseigenschaften dieser Anordnung nach dem Stand der Technik als Referenz, in einer Spalte "GDPWM 10 kHz" zum Vergleich entsprechende Betriebseigenschaften bei aus- schließlicher Verwendung von GDPWM und in einer Spalte "SVM 10 kHz und GDPWM 10 kHz" entsprechende Betriebseigenschaften beim Betrieb der Anord nung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Dies ist jeweils für drei Zwischenkreisspannungen von 270 V, 350 V und 450 V bei einer konstanten Trä gerfrequenz von 10 kHz dargestellt. Als Zwischenkreiskapazität wird ein Wert von 650 pF angenommen. Allgemein bezeichnen dabei UDC, den Spitze-Tal-Wert der
Zwischenkreisspannung, Ptot die Gesamtverluste, max(uDc, ) den maximalen Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreisspannung im angegebenen Betriebsbereich, und max(Ptot) die maximalen Gesamtverluste im angegebenen Betriebsbereich.
Tabelle 1
SVM 10 kHz und
SVM 10 kHz GDPWM 10 kHz
GDPWM 10 kHz max(uDC pp) im 13,23 V (270 V) 17,04 V (270 V) 13,65 V (270 V)
Dauerlastbetrieb 13,65 V (350 V) 17,41 V (350 V) 13,65 V (350 V)
13,55 V (450 V) 17,87 V (450 V) 13,65 V (450 V) max(uDC pp) im 26,21 V (270 V) 28,05 V (270 V) 27,30 V (270 V)
Hochlastbetrieb 25,24 V (350 V) 27,86 V (350 V) 27,29 V (350 V)
26,52 V (450 V) 28,27 V (450 V) 27,30 V (450 V) max(Ptot) im 3,00 kW (270 V) 2,55 kW (270 V) 3,00 kW (270 V)
Hochlastbetrieb 3,34 kW (350 V) 2,77 kW (350 V) 3,33 kW (350 V)
3,80 kW (450 V) 3,05 kW (450 V) 3,80 kW (450 V)
Höchste relative 0,0 % (270 V) 0,0 % (270 V)
Erhöhung von Ptot - 0,0 % (350 V) 0,0 % (350 V) gegenüber SVM 0,0 % (450 V) 0,0 % (450 V)
Höchste relative 29,5 % (270 V) 29,5 % (270 V)
Reduktion von Ptot - 32,4 % (350 V) 32,4 % (350 V) gegenüber SVM 35,4 % (450 V) 35,4 % (450 V)
Aus der Tabelle 1 kann entnommen werden, dass es im Vergleich zu einer aus schließlichen Verwendung von SVM bei der Anordnung 1 zu keiner Überschrei- tung des vorgegebenen ersten bzw. zweiten Werts des Spitze-Tal-Werts der Zwi schenkreisspannung und gleichzeitig zu einer signifikanten Reduktion der Ge samtverluste im Arbeitsbereich 32 kommt. Eine ausschließliche Verwendung von GDPWM würde zwar geringere maximale Verluste im Hochlastbetrieb ermögli chen. Wegen der wesentlich höheren Spitze-Tal-Werte der Zwischenkreisspan- nung im Dauerlastbetrieb wäre dann aber eine Erhöhung der Zwischenkreiskapa zität um 30,9 % erforderlich, was angesichts der damit verbundenen Kosten und erhöhten Bauraumanforderungen unerwünscht ist.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele der Anordnung 1 beschrie- ben, die sich dadurch vom ersten Ausführungsbeispiel unterscheiden, dass die Steuereinrichtung 8 dazu eingerichtet ist, die Schaltsignale bei Verwendung der kontinuierlichen Modulationsart mit einer anderen Trägerfrequenz als bei Verwen dung der diskontinuierlichen Modulationsart bereitzustellen. In der folgenden Tabelle 2 entsprechen die Spalten "SVM 10 kHz" und "SVM 10 kHz und GDPWM 10 kHz" jenen in Tabelle 1. Die Spalte "SVM 10 kHz und GDPWM 13,5 kHz" betrifft ein Ausführungsbeispiel, bei dem bei der Verwendung von SVM wie im ersten Ausführungsbeispiel eine Trägerfrequenz von 10 kHz und bei der Verwendung von GDPWM eine Trägerfrequenz von 13,5 kHz verwendet wird. Der Aufbau von Tabelle 2 entspricht im Übrigen Tabelle 1 .
Tabelle 2
SVM 10 kHz und SVM 10 kHz und
SVM 10 kHz
GDPWM 10 kHz GDPWM 13,5 kHz max(uDc,pP) im 13,23 V (270 V) 13,65 V (270 V) 12,50 V (270 V)
Dauerlastbetrieb 13,65 V (350 V) 13,65 V (350 V) 12,50 V (350 V)
13,55 V (450 V) 13,65 V (450 V) 12,50 V (450 V) max(uDc,pP) im 26,21 V (270 V) 27,30 V (270 V) 20,78 V (270 V)
Hochlastbetrieb 25,24 V (350 V) 27,29 V (350 V) 20,64 V (350 V)
26,52 V (450 V) 27,30 V (450 V) 20,94 V (450 V) max(Ptot) im 3,00 kW (270 V) 3,00 kW (270 V) 2,80 kW (270 V)
Hochlastbetrieb 3,34 kW (350 V) 3,33 kW (350 V) 3, 10 kW (350 V)
3,80 kW (450 V) 3,80 kW (450 V) 3,48 kW (450 V)
Höchste relative 0,0 % (270 V) 0,0 % (270 V)
Erhöhung von Ptot - 0,0 % (350 V) 0,0 % (350 V) gegenüber SVM 0,0 % (450 V) 0,0 % (450 V)
Höchste relative 29,5 % (270 V) 19,1 % (270 V) Reduktion von Ptot 32.4 % (350 V) 21 , 0 % (350 V) gegenüber SVM 35.4 % (450 V) 23,0 % (450 V)
Wie Tabelle 2 zu entnehmen ist, kann durch die Erhöhung der Trägerfrequenz bei der Verwendung von GDPWM eine Reduktion der maximalen Spitze-Tal-Werte der Zwischenkreisspannung sowohl im Dauerlast- als auch im Hochlastbetrieb und eine Verringerung der maximalen Gesamtverluste max(Ptot) erreicht werden. Diese Reduktion der maximalen Spitze-Tal-Werte eröffnet vorteilhafterweise den Raum für eine Reduktion der Zwischenkreiskapazität um vorliegend 8,4 %, was gleich sam eine Kosten- und Bauraumeinsparung ermöglicht.
Die Fig. 6 und 7 zeigen jeweils in einem Drehmoment-Drehzahl-Diagramm die Be grenzungen erster Arbeitsbereiche, die durch Linien 38 bis 42 dargestellt sind, bei weiteren Ausführungsbeispielen für eine Trägerfrequenz von 10 kHz bei der Ver wendung von SVM und unterschiedlichen Trägerfrequenzen bei der Verwendung von GDPMW im Vergleich zu den Begrenzungen erster Arbeitsbereiche, die durch Linien 44 dargestellt sind, beim ersten Ausführungsbeispiel, bei dem die Trägerfre quenz auch für GDPWM 10 kHz beträgt. Dabei beziehen sich die Linien 38 auf eine Trägerfrequenz von 6 kHz, die Linien 39 auf eine Trägerfrequenz von 8 kHz, die Linien 40 auf eine Trägerfrequenz von 11 kHz, die Linien 41 auf eine Träger frequenz von 12 kHz und die Linie 42 auf eine Trägerfrequenz von 13 kHz. Er sichtlich verkleinern sich die ersten Arbeitsbereiche mit steigender Trägerfrequenz bei der Verwendung von GDPWM.
Die Wahl der Trägerfrequenz bei der Verwendung von GDPWM beeinflusst das globale Maximum des Spitze-Tal-Werts der Zwischenkreisspannung und damit die mögliche Reduktion der Zwischenkreiskapazität, die maximalen Gesamtverluste und die Teillasteffizienz. Allgemein kann angegebenen werden, dass mit steigen der Trägerfrequenz bei der Verwendung von GDPWM das globale Maximum des Spitze-Tal-Werts der Zwischenkreisspannung sinkt, was eine Reduktion der Zwi schenkreiskapazität ermöglicht.
Fig. 8 zeigt dazu ein Diagramm der möglichen prozentualen Reduktion der Zwi schenkreiskapazität über die Trägerfrequenz der zweiten Modulationsart bei kon stanter Trägerfrequenz der ersten Modulationsart anhand einer Linie 49. Zum Ver gleich ist ferner eine Linie 50 gezeigt, die die maximal mögliche Reduktion der Zwischenkreiskapazität bei ausschließlicher Verwendung von GDPWM im Ver gleich zur ausschließlichen Verwendung von SVM zeigt.
Fig. 9 zeigt schließlich ein Diagramm der maximalen prozentualen Reduktion der Gesamtverluste über die Trägerfrequenz der zweiten Modulationsart bei konstan ter Trägerfrequenz der ersten Modulationsart. Darin beschreiben eine Linie 51 die maximale relative Reduktion der Gesamtverluste bei einer Zwischenkreisspan nung von 270 V, eine Linie 52 die maximale relative Reduktion der Gesamtver luste bei einer bei einer Zwischenkreisspannung von 350 V und eine Linie 53 die maximale relative Reduktion der Gesamtverluste bei einer Zwischenkreisspan nung von 450 V.
Fig. 10 und 11 sind jeweils ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm mit eingezeich neten Arbeitsbereichen bei einer Anordnung 1 gemäß Fig. 1 mit weiteren Ausfüh rungsbeispielen der Steuereinrichtung 8. Fig. 10 und 11 zeigen dabei qualitativ die Anordnung erster Arbeitsbereiche 21 , 30 und zweiter Arbeitsbereiche 32, 32a,
32b. Diese Ausführungsbeispiele lassen sich besonders einfach implementieren und ermöglichen zumindest abschnittsweise ähnlich vorteilhafte Effekte wie die komplexeren, zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 ist der erste Arbeitsbereich 21 für po sitive Drehmomente unabhängig von der Drehzahl nur durch die untere Drehmo mentgrenze 22 und die obere Drehmomentgrenze 23 begrenzt. Der weitere erste Arbeitsbereich 30 für negative Drehmomente ist ebenfalls unabhängig von der Drehzahl durch eine untere Drehmomentgrenze 22a und eine obere Drehmoment grenze 23a begrenzt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 ist der erste Arbeitsbereich 21 für po sitive Drehmomente durch die untere Drehmomentgrenze 22 und die obere Dreh momentgrenze 23 sowie durch die untere Drehzahlgrenze 24 und die obere Dreh zahlgrenze 25 begrenzt. Der weitere erste Arbeitsbereich 30 für negative Drehmo mente ist durch die untere Drehmomentgrenze 22a und die obere Drehmomentgrenze 23a sowie durch die untere Drehzahlgrenze 24a und die obere Drehzahlgrenze 25a begrenzt.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, die im Übrigen einem der zuvor be- schriebenen Ausführungsbeispiele entsprechen, kann die Steuereinrichtung 8 al ternativ zur Verwendung eines Kennfeldes dazu eingerichtet sein, die zu verwen dende Modulationsart anhand einer den wenigstens einen Betriebsparameter aus wertenden Funktion zu ermitteln.

Claims

Patentansprüche
1. Steuereinrichtung (8) für einen eine elektrische Maschine (3) speisenden Wechselrichter (2), wobei die Steuereinrichtung (8) zum Bereitstellen von pulswei tenmodulierten Schaltsignalen (15) zum Ansteuern von Schaltelementen (12) des Wechselrichters (2) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) dazu eingerichtet ist, eine Modulationsart, mittels welcher die pulsweitenmodulierten Schaltsignale (15) erzeugt werden, in Abhängigkeit ei ner Arbeitspunktinformation, die einen durch wenigstens einen Betriebsparameter definierten Arbeitspunkt beschreibt, zu bestimmen und in wenigstens einem ersten Arbeitsbereich (21, 28, 30, 31) eine erste Modulationsart und in einem weiteren Arbeitsbereich (32, 32a, 32b) eine zweite Modulationsart zu verwenden.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 , wobei die erste Modulationsart eine kontinuierliche Pulsweitenmodulationsart, insbeson dere SVM, ist und/oder die zweite Modulationsart eine diskontinuierliche Pulswei tenmodulationsart, insbesondere GDPWM, ist.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Betriebsparameter ein Drehmoment der elektrischen Maschine (3) oder eine Stromstärke eines Maschinenstroms der elektrischen Maschine (3) ist.
4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, wobei ein erster Arbeitsbereich oder mehrere erste Arbeitsbereiche (21, 28, 30, 31) in nerhalb eines durch eine untere Betriebsparametergrenze (22, 22a) und eine obere Betriebsparametergrenze (23, 23a) definierten Betriebsparameterintervalls liegt.
5. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Betriebsparameter eine Drehzahl der elektrischen Maschine (3) ist.
6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, wobei der wenigstens eine erste Arbeitsbereich (21 , 28, 30, 31) innerhalb eines durch eine untere Drehzahlgrenze (24, 24a) und eine obere Drehzahlgrenze (25, 25a) definierten Drehzahlintervalls liegt.
7. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Betriebsparameter eine Zwischenkreisspannung des Wechselrichters (2) ist.
8. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitsbereiche (21 , 28, 30, 31 , 32, 32a, 32b) derart bestimmt sind, dass ein Spitze-Tal-Wert einer Zwischenkreisspannung des Wechselrichters (2) einen vor gegebenen Wert nicht überschreitet.
9. Steuereinrichtung nach Anspruch 8, wobei in einem Dauerlastbetrieb (35) liegende Arbeitsbereiche (21 , 30, 32) derart be stimmt sind, dass der Spitze-Tal-Wert der Zwischenkreisspannung einen vorgege benen zweiten Wert, der kleiner als der erste Wert ist, nicht überschreitet.
10. Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche dazu eingerichtet ist, die Schaltsignale (15) bei Verwendung der ersten Modulationsart mit einer anderen, insbesondere niedrigeren, Trägerfrequenz als bei Verwendung der zweiten Modulationsart bereitzustellen.
11 . Steuereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche dazu eingerichtet ist, die zu verwendende Modulationsart
- durch ein Kennfeld, das dem wenigstens einen Betriebsparameter eine der Mo dulationsarten zuordnet, oder
- anhand einer den wenigstens einen Betriebsparameter auswertenden Funktion zu ermitteln.
12. Wechselrichter (2), umfassend
- einen Zwischenkreiskondensator (6), - Schaltelemente (12), die dazu verschaltet sind, eine am Zwischenkreiskonden sator (6) anliegende Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit von die Schaltele mente (12) ansteuernden Schaltsignalen (15) in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung zu wandeln, und
- eine Steuereinrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Anordnung (1) mit einem Wechselrichter (2) nach Anspruch 12 und einer elektrischen Maschine (3), die mittels der Wechselspannung betreibbar ist.
14. Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters (2) zum Versorgen einer elektrischen Maschine (3), umfassend folgende von einer Steuereinrichtung (8) durchgeführte Schritte:
- Bestimmen einer Modulationsart, mittels welcher pulsweitenmodulierte Schalt signale (15) zum Ansteuern von Schaltelementen (12) des Wechselrichters (2) er zeugt werden, in Abhängigkeit einer Arbeitspunktinformation, die einen durch we nigstens einen Betriebsparameter definierten Arbeitspunkt beschreibt, wobei in wenigstens einem ersten Arbeitsbereich (21, 28, 30, 31) eine erste Modulationsart und in einem weiteren Arbeitsbereich (32, 32a, 32b) eine zweite Modulationsart verwendet wird; und
- Bereitstellen der Schaltsignale (15).
15. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Pro gramms durch einen Computer diesen veranlassen, die von der Steuereinrichtung (8) durchgeführten Schritte des Verfahrens nach Anspruch 14 auszuführen.
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