WO2000047438A1 - Device and method for controlling a pulse-width-modulation inverter for controlling an electric machine - Google Patents

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WO2000047438A1
WO2000047438A1 PCT/EP2000/000723 EP0000723W WO0047438A1 WO 2000047438 A1 WO2000047438 A1 WO 2000047438A1 EP 0000723 W EP0000723 W EP 0000723W WO 0047438 A1 WO0047438 A1 WO 0047438A1
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WO
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controlling
pulse
circuit
electrically controllable
voltage
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PCT/EP2000/000723
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Wolf Boll
Conrad RÖSSEL
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Daimlerchrysler Ag
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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for controlling a pulse-controlled inverter for controlling an electrical machine according to the preamble of claims 1, 3 and 4.
  • the permanently excited synchronous machine then inevitably feeds into the intermediate circuit via the freewheeling diodes, which are essential for the function of the power electronics.
  • the freewheeling diodes which are essential for the function of the power electronics.
  • there is a high braking torque which, for example when used in a vehicle depending on the machine dimensions, drive concept, road condition and driving situation, reduces comfort to dangerous. For example, it cannot be excluded that the vehicle can get off the road. If the capacity of the memory is insufficient, it can be damaged or destroyed.
  • the DC link voltage increases to the level of the peak value of the permanent-magnet synchronous machine AC voltage on. The same happens if the memory is already damaged or destroyed. Depending on the design and machine speed, this voltage can be a multiple of the maximum permissible DC link voltage. The power electronics and other components connected to the DC link can be destroyed.
  • the object of the present invention is to propose a circuit arrangement in which adequate protection against overvoltages can be achieved with the least possible component expenditure.
  • the at least one electrically controllable element is or are the controllable switch or switches of the corresponding bridge branch or the corresponding bridge branches.
  • the electrical machine is a permanently excited synchronous machine.
  • the at least one electrically controllable element is controlled when a voltage above a certain threshold value is detected in the intermediate circuit.
  • the at least one electrically controllable element is controlled when a malfunction is detected.
  • control it from outside by means of a control command, for example in order to save energy in certain modes or when another or a central control device has identified a malfunction of other components in the system.
  • FIG. 1 An embodiment of the invention is shown in more detail in the drawing.
  • the figure shows the power section of a frequency converter 101 designed as an inverter. Integrated in this, but independent of its function, separate monitoring electronics 102 can be seen, by means of which the intermediate circuit voltage is monitored.
  • the monitoring electronics 102 controls the low-side circuit breakers 103, 104, 105 of the frequency converter 101 and closes the windings U, V, W of the electric machine via these and the freewheeling diodes and thus, under certain circumstances, dangerously high voltages short.
  • the high-side circuit breakers can also be controlled.
  • the permissible maximum operating voltage of the frequency converter is specified by the nominal voltage of the electrolytic capacitors and can be, for example, 400 V. This may be exceeded briefly in accordance with DIN (10% for 60s).
  • the dielectric strength of the power semiconductors must be chosen to be significantly higher than the permissible maximum operating voltage of the frequency converter, since in switched operation (e.g. operation with pulse width modulation with clock frequencies usually in the order of 4 - 12 kHz), parasitic inductances cause short-term overvoltages on the power halves pus form (overshoots, spikes up to over 100 V).
  • Semiconductors with a reverse voltage of 600 V are usually used for a permissible nominal voltage of the frequency converter. Since the frequency converter stops working in the event of a fault, voltages up to the reverse voltage mentioned may be applied to the power semiconductors. The speed of the voltage rise in the event of a fault is limited by the capacitors mentioned with their high capacities in the frequency converter and results from the current flowing into the intermediate circuit and the capacitance of the capacitors mentioned. Typical values for the slew rate, however, are in the range of a few tens of volts per ms, which is well above the response time of the monitoring electronics. The shutdown is therefore initiated long before the components are at risk.
  • the short circuit Due to the short circuit of only the low-side or only the high-side circuit breaker of the three half bridges, the short circuit has no effect on the intermediate circuit.
  • the battery or other components connected to the DC link are not affected.
  • a power steering pump supplied by the DC link will continue to function, which is advantageous in terms of safety in the automotive field.
  • the monitoring electronics can be connected to one another in order to coordinate the switching on of the short circuits.
  • the maximum torque that occurs at very low speeds (the maximum speed of such machines is typically 6,000-10,000 rpm) in short-circuited operation is typically 50-100% of the maximum torque in active converter operation. This proves to be particularly important when used in a vehicle.
  • the short-circuit circuit described can also be specifically activated in normal operation, for example in order to achieve safety and / or efficiency advantages in certain operating ranges through the “passive” operating mode.
  • These can, for example, consist in no switching losses occurring in the converter as in active operation can be seen, for example, in a vehicle equipped with a parallel hybrid drive. In a constant travel with high output speed, without the electric machine being supposed to be active, it is less lossy to switch the machine into the short-circuit described than to let it run in torque converter 0 in active converter operation.
  • the short-circuited, permanently excited synchronous machine can replace a mechanical holding brake at certain operating points (generator set ->"5thgear") or, in this case, drastically reduce the losses compared to active converter operation (50% - 70%).
  • the monitoring electronics advantageously have an energy storage device such as a capacitor, a supercapacitor or a battery which is charged during normal operation via a suitable supply circuit and ensures the operation of the monitoring electronics over the short circuit.
  • the supply circuit can be formed, for example, by a DC / DC converter from the intermediate circuit or the vehicle electrical system. Other types of supply are also possible.
  • the monitoring electronics can maintain the short circuit until the drive or the vehicle has come to a standstill.
  • the short circuit can also be removed after a short time. This short time can be of the order of a few seconds. If the voltage then still rises above the permissible maximum voltage, the short circuit is switched on again.
  • the monitoring electronics can operate the circuit breakers directly or use the control circuits in the frequency converter.
  • the monitoring electronics can cancel the short circuit according to various criteria in order to supply the intermediate circuit with energy for existing consumers via the drive or vehicle that is running out.
  • the circuit arrangement can also be designed such that the monitoring electronics only partially short-circuits the connected synchronous machine.
  • the desired effect can also be achieved by opening all six circuit breakers or by an additional switch in the intermediate circuit. This requires that the intermediate circuit may be short-circuited. This in turn means that there is no battery or a battery with a quick-release fuse.
  • the invention can also be used in all other machines which, in the event of a fault and / or in the case of overspeed or load shedding, at least temporarily generate overvoltages or in which undesired moments can occur or in which a certain torque behavior is desired.

Abstract

The invention relates to a device and a method for controlling a pulse-width-modulation inverter for controlling an electric machine. The pulse-controlled inverter is constructed in a full bridge circuit. A controllable switch and a freewheeling diode are located in each bridge branch of the full bridge circuit and at least one of the freewheeling diodes can be short-circuited by controlling at least one electrically controllable element. If several controllable elements are provided, these are arranged in the bridge branches leading to the same potential of the direct voltage source. The at least one electrically controllable element is or are the controllable switch or switches of the corresponding bridge branch or branches. The at least one electrically controllable element can be controlled when a voltage above a certain threshold value is detected in the intermediate circuit or when a malfunction is detected.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine Device and method for controlling a pulse-controlled inverter for controlling an electrical machine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 3 und 4.The present invention relates to a device and a method for controlling a pulse-controlled inverter for controlling an electrical machine according to the preamble of claims 1, 3 and 4.
Es ist bekannt, bei permanenterregten Synchronmaschinen (insbesondere bei deren Verwendung für Traktionsanwendungen) bei Drehzahlen oberhalb einer Eckdrehzahl einen sogenannten Feldschwächbetrieb zu realisieren. Dazu wird mit speziellen Steuerungsverfahren eine Phasenverschiebung realisiert. Wegen der überlegenen Wirkungsgrade und Leistungsdichten werden derartige Antriebe insbesondere bei neueren Entwicklungen im Bereich der Elektro- und Hybridfahrzeuge eingesetzt. Bei diesen Antrieben gibt es jedoch gewisse Schwierigkeiten bei einem Betrieb oberhalb der Eckdrehzahl. Fällt der Frequenzumrichter, dessen Steuerung oder der Rotorlagegeber aus oder muß der Frequenzumrichter abschalten, weil ein Maschinenfehler wie beispielsweise eine Unterbrechung oder ein Kurzschluß einer Phase detektiert wird oder wird versehentlich der ganze Antrieb abgeschaltet, so generiert die permanenterregte Synchronmaschine eine Wechselspannung, deren Scheitelwert über der Zwischenkreisspannung liegt. Über die für die Funktion der Leistungselektronik unerläßlichen Freilaufdioden speist die permanenterregte Synchronmaschine dann unvermeidlich in den Zwischenkreis ein. Soweit dieser über einen Speicher hinreichender Aufnahmefähigkeit verfügt, wie beispielsweise über eine Batterie, so entsteht ein hohes Bremsmoment, das beispielsweise bei einer Anwendung in einem Fahrzeug je nach Maschinendimensionierung, Antriebskonzept, Fahrbahnzustand und Fahrsituation komfortmindernd bis gefährlich ist. Beispielsweise kann nicht ausgeschlossen werden, daß das Fahrzeug von der Fahrbahn abkommen kann. Wenn die Aufnahmefähigkeit des Speichers nicht ausreicht, kann dieser beschädigt oder zerstört werden.It is known to implement a so-called field weakening operation in permanently excited synchronous machines (especially when used for traction applications) at speeds above a corner speed. For this purpose, a phase shift is implemented using special control processes. Because of the superior efficiencies and power densities, such drives are used particularly in recent developments in the field of electric and hybrid vehicles. With these drives, however, there are certain difficulties when operating above the corner speed. If the frequency converter, its control or the rotor position encoder fails or the frequency converter has to switch off because a machine error such as an interruption or a short circuit in a phase is detected or the entire drive is accidentally switched off, the permanently excited synchronous machine generates an AC voltage whose peak value exceeds the DC link voltage is. The permanently excited synchronous machine then inevitably feeds into the intermediate circuit via the freewheeling diodes, which are essential for the function of the power electronics. Insofar as it has sufficient storage capacity, such as a battery, there is a high braking torque which, for example when used in a vehicle depending on the machine dimensions, drive concept, road condition and driving situation, reduces comfort to dangerous. For example, it cannot be excluded that the vehicle can get off the road. If the capacity of the memory is insufficient, it can be damaged or destroyed.
Wird hingegen der Speicher vom Zwischenkreis getrennt (beispielsweise durch Öffnen des Batterieschützes), um das erwähnte Bremsmoment zu vermeiden und/oder den Speicher zu schützen, so steigt die Zwischenkreisspannung bis auf die Höhe des Scheitel wertes der von der permanenterregten Synchronmaschine generierten Wechselspannung an. Dasselbe passiert, wenn der Speicher bereits beschädigt oder zerstört ist. Diese Spannung kann abhängig von Auslegung und Maschinendrehzahl ein Mehrfaches der maximal zulässigen Zwischenkreisspannung sein. Dabei können die Leistungselektroniken und andere an den Zwischenkreis angeschlossene Komponenten zerstört werden.If, on the other hand, the memory is separated from the DC link (e.g. by opening the battery contactor) to avoid the braking torque mentioned and / or to protect the memory, the DC link voltage increases to the level of the peak value of the permanent-magnet synchronous machine AC voltage on. The same happens if the memory is already damaged or destroyed. Depending on the design and machine speed, this voltage can be a multiple of the maximum permissible DC link voltage. The power electronics and other components connected to the DC link can be destroyed.
Es ist einerseits bekannt, dieses Problem zu umgehen, indem alle an den Zwischenkreis angeschlossenen Komponenten in ihrer Spannungsfestigkeit so dimensioniert (d.h. überdimensioniert) werden, daß die maximal entstehenden Zwischenkreisspannungen noch nicht zu Schäden führen können. Gegebenenfalls kann auch bei gegebenen Komponenten die Zwischenkreisspannung, die in der Regel der Batteriespannung entspricht, entsprechend niedrig gewählt werden. Dieses installierte Potential zur Leistungsaufnahme (maximale Spannung * maximaler Strom) ist unter Umständen mehrfach höher wie die nutzbare Leistung. Dies führt zu Preisnachteilen, Packagingproblemen sowie deutlichen Wirkungsgradverlusten.It is known, on the one hand, to avoid this problem by dimensioning (i.e. oversizing) all of the components connected to the intermediate circuit in their dielectric strength in such a way that the maximum intermediate circuit voltages which arise cannot yet lead to damage. If necessary, the intermediate circuit voltage, which generally corresponds to the battery voltage, can also be chosen to be correspondingly low for given components. This installed potential for power consumption (maximum voltage * maximum current) may be several times higher than the usable power. This leads to price disadvantages, packaging problems and significant losses in efficiency.
Bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung sowie einem Verfahren zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine ist es bereits aus der Patentschrift DE 196 48 948 Cl bekannt, einen Pulswechselrichter in VoUbrückenschaltung aufzubauen, wobei sich in jedem Brückenzweig der VoUbrückenschaltung ein steuerbarer Schalter sowie eine Freilaufdiode befindet. Bei den Brückenzweigen, die mit dem negativen Potential der Gleichspannungsquelle verbunden sind, sind den steuerbaren Schaltern jeweils eine Reihenschaltung aus einem Bremswiderstand sowie einem elektrisch ansteuerbaren Element parallel geschaltet. Das elektrisch -insteuerbare Element ist dabei ein Thyristor. Durch eine Ansteuerung wenigstens eines der elektrisch ansteuerbaren Elemente ist wenigstens eine der Freilaufdioden kurzschließbar. Eine Ansteuerung der elektrisch ansteuerbaren Elemente erfolgt dann, wenn eine Überspannung detektiert wird.In the case of a generic device and a method for controlling a pulse-controlled inverter for controlling an electrical machine, it is already known from patent specification DE 196 48 948 Cl to build a pulse-controlled inverter in a bridge circuit, a controllable switch and a free-wheeling diode being located in each bridge branch of the bridge circuit. In the bridge branches, which are connected to the negative potential of the direct voltage source, the controllable switches are each connected in parallel with a series circuit comprising a braking resistor and an electrically controllable element. The electrically controllable element is a thyristor. By actuating at least one of the electrically controllable elements, at least one of the freewheeling diodes can be short-circuited. The electrically controllable elements are activated when an overvoltage is detected.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, bei der eine hinreichende Sicherheit gegen Überspannungen mit möglichst geringem Bauteileaufwand erreichbar ist.The object of the present invention is to propose a circuit arrangement in which adequate protection against overvoltages can be achieved with the least possible component expenditure.
Erfindungsgemäß wird dies gelöst, indem das wenigstens eine elektrisch ansteuerbare Element der bzw. die steuerbaren Schalter des entsprechenden Brückenzweiges bzw. der entsprechenden Brückenzweige ist bzw. sind. Dadurch können vorteilhaft gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung Bauteile eingespart werden.This is achieved according to the invention in that the at least one electrically controllable element is or are the controllable switch or switches of the corresponding bridge branch or the corresponding bridge branches. As a result, components can advantageously be saved compared to the circuit arrangement known from the prior art.
Im Falle, daß mehrere ansteuerbare Elemente vorhanden sind, liegen diese vorteilhaft in den Brückenzweigen, die zu demselben Potential der Gleichspannungsquelle führen. Dadurch kann vorteilhaft ein Kurzschluß im Zwischenkreis vermieden werden, wodurch eine dort gegebenenfalls vorhandene Batterie schützbar ist. Wie weiter unten ausgeführt, ist es aber auch möglich, beispielsweise alle sechs steuerbaren Schalter der Vollbrücke anzusteuern.In the event that there are several controllable elements, these advantageously lie in the bridge branches which lead to the same potential of the DC voltage source. A short circuit in the intermediate circuit can thereby advantageously be avoided, as a result of which a battery which may be present there can be protected. As explained below, it is also possible, for example, to control all six controllable switches of the full bridge.
Bei der Vorrichtung nach Anspruch 2 ist die elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine.In the device according to claim 2, the electrical machine is a permanently excited synchronous machine.
Dadurch eignet sich die Vorrichtung insbesondere für den Einsatz bei Traktions anwendungen .This makes the device particularly suitable for use in traction applications.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 3 zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine unter Verwendung einer der genannten Vorrichtungen erfolgt eine Ansteuerung des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Elementes, wenn in dem Zwischenkreis eine Spannung oberhalb eines bestimmten Schwellwertes detektiert wird.In a method according to the invention for controlling a pulse-controlled inverter for controlling an electrical machine using one of the devices mentioned, the at least one electrically controllable element is controlled when a voltage above a certain threshold value is detected in the intermediate circuit.
Dadurch können vorteilhaft Überspannungen bzw. übermäßig hohe Bremsmomente vermieden werden, was wiederum besonders bei Traktionsanwendungen von Vorteil ist.This advantageously prevents overvoltages or excessively high braking torques, which in turn is particularly advantageous in traction applications.
Bei einem Verfahren nach Anspruch 4 zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine unter Verwendung einer der genannten Vorrichtungen erfolgt eine Ansteuerung des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Elementes, wenn eine Fehlfunktion detektiert wird.In a method according to claim 4 for controlling a pulse-controlled inverter for controlling an electrical machine using one of the devices mentioned, the at least one electrically controllable element is controlled when a malfunction is detected.
Dies kann beispielsweise realisiert sein, indem eine Ansteuerung erfolgt, wenn Steuersignale für die steuerbaren Schalter zum Betrieb des Pulswechselrichters ausbleiben. Ebenso kann dies bei gestörten oder unplausiblen Steuersignalen erfolgen. Ein solcher Fehlerfall kann auch darin bestehen, daß bei der Leistungselektronik eine Fehlfunktion erkannt wird. Dies kann beispielsweise durch eine Watchdogfunktion für den Steuerteil realisiert sein oder auch durch Hardwareabfragen für den Treiber und/oder den Leistungsteil. Ebenso kann diese Ansteuerung erfolgen bei einem charakteristischen Spannungsanstieg oder charakteristischen Spannungsmustem, wie beispielsweise Halbwellen der passiven Gleichrichtung.This can be realized, for example, by triggering when there are no control signals for the controllable switches for operating the pulse-controlled inverter. This can also be done in the case of faulty or implausible control signals. Such a fault can also consist in the fact that a malfunction is detected in the power electronics. This can be implemented, for example, by a watchdog function for the control section or by hardware queries for the driver and / or the power section. This control can also take place at one characteristic voltage rise or characteristic voltage patterns, such as half-waves of passive rectification.
Es ist beispielsweise auch möglich, eine Ansteuerung vorzunehmen durch einen Steuerbefehl von außen, um beispielsweise in bestimmten Moden Energie zu sparen oder wenn ein anderes oder ein zentrales Steuergerät eine Fehlfunktion anderer Komponenten im System erkannt hat.It is also possible, for example, to control it from outside by means of a control command, for example in order to save energy in certain modes or when another or a central control device has identified a malfunction of other components in the system.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung näher dargestellt. Die Figur zeigt den Leistungsteil eines als Wechselrichter ausgebildeten Frequenzumrichters 101. In diesen integriert, jedoch von dessen Funktion unabhängig ist eine separate Überwachungselektronik 102 zu sehen, mittels der die Zwischenkreisspannung überwacht wird.An embodiment of the invention is shown in more detail in the drawing. The figure shows the power section of a frequency converter 101 designed as an inverter. Integrated in this, but independent of its function, separate monitoring electronics 102 can be seen, by means of which the intermediate circuit voltage is monitored.
Wenn der zulässige Wert der Zwischenkreisspannung überschritten wird, steuert die Überwachungselektronik 102 die low-side Leistungsschalter 103, 104, 105 des Frequenzumrichters 101 auf und schließt über diese und die Freilauf dioden die Wicklungen U, V, W der Elektromaschine und damit die unter Umständen gefährlich hohen Spannungen kurz. In Abwandlung des gezeigten Ausführungsbeispiels können auch die high-side Leistungsschalter angesteuert werden.If the permissible value of the intermediate circuit voltage is exceeded, the monitoring electronics 102 controls the low-side circuit breakers 103, 104, 105 of the frequency converter 101 and closes the windings U, V, W of the electric machine via these and the freewheeling diodes and thus, under certain circumstances, dangerously high voltages short. In a modification of the exemplary embodiment shown, the high-side circuit breakers can also be controlled.
Vom Erkennen der Überschreitung der maximal zulässigen Spannung bis zum Kurzschluß über die Leitungsschalter 103, 104, 105 vergehen bei entsprechender Auslegung nur μs. Die zulässige maximale Betriebsspannung des Frequenzumrichters wird durch die Nennspannung der Elektrolytkondensatoren vorgegeben und kann beispielsweise 400 V betragen. Diese darf entsprechend der DIN kurzzeitig überschritten werden (10% für 60s). Die Spannungsfestigkeit der Leistungshalbleiter muß ohnehin deutlich höher gewählt werden als die zulässige maximale Betriebsspannung des Frequenzumrichters, da im geschalteten Betrieb (z. B. Betrieb mit Pulsbreitenmodulation mit Taktfrequenzen üblicherweise in der Größenordnung von 4 - 12 kHz) durch parasitäre Induktivitäten kurzfristige Überspannungen an den Leistungshalbl eitern entstehen (Überschwinger, Spikes bis über 100 V). Für eine zulässige Nennspannung des Frequenzumrichters werden üblicherweise Halbleiter mit einer Sperrspannung von 600 V eingesetzt. Da im Fehlerfall der Frequenzumrichter nicht mehr arbeitet, dürfen an die Leistungshalbleiter Spannungen bis zur genannten Sperrspannung angelegt werden. Die Geschwindigkeit des Spannngsanstiegs im Fehlerfall wird durch die genannten Kondensatoren mit ihren hohen Kapazitäten im Frequenzumrichter begrenzt und ergibt sich aus dem in den Zwischenkreis fließenden Strom und der Kapazität der genannten Kondensatoren. Typische Werte für die Anstiegsgeschwindigkeit liegen jedoch im Bereich von einigen zehn Volt je ms, also weit über der Reaktionszeit der Überwachungselektronik. Die Abschaltung wird also eingeleitet, lange bevor eine Gefährdung der Komponenten gegeben wäre.With the appropriate design, only μs pass from the detection of the exceeding of the maximum permissible voltage to a short circuit via the line switches 103, 104, 105. The permissible maximum operating voltage of the frequency converter is specified by the nominal voltage of the electrolytic capacitors and can be, for example, 400 V. This may be exceeded briefly in accordance with DIN (10% for 60s). The dielectric strength of the power semiconductors must be chosen to be significantly higher than the permissible maximum operating voltage of the frequency converter, since in switched operation (e.g. operation with pulse width modulation with clock frequencies usually in the order of 4 - 12 kHz), parasitic inductances cause short-term overvoltages on the power halves pus form (overshoots, spikes up to over 100 V). Semiconductors with a reverse voltage of 600 V are usually used for a permissible nominal voltage of the frequency converter. Since the frequency converter stops working in the event of a fault, voltages up to the reverse voltage mentioned may be applied to the power semiconductors. The speed of the voltage rise in the event of a fault is limited by the capacitors mentioned with their high capacities in the frequency converter and results from the current flowing into the intermediate circuit and the capacitance of the capacitors mentioned. Typical values for the slew rate, however, are in the range of a few tens of volts per ms, which is well above the response time of the monitoring electronics. The shutdown is therefore initiated long before the components are at risk.
Durch den Kurzschluß nur der low-side bzw. nur der high-side Leistungsschalter der drei Halbbrücken wirkt sich der Kurzschluß nicht auf den Zwischenkreis aus. Die Batterie oder andere an den Zwischenkreis angeschlossene Komponenten werden nicht beeinträchtigt. Beispielsweise wird eine vom Zwischenkreis versorgte Lenkhilfepumpe weiter funktionsfähig bleiben, was hinsichtlich des Sicherheitsaspekts im automobilen Anwendungsbereich von Vorteil ist.Due to the short circuit of only the low-side or only the high-side circuit breaker of the three half bridges, the short circuit has no effect on the intermediate circuit. The battery or other components connected to the DC link are not affected. For example, a power steering pump supplied by the DC link will continue to function, which is advantageous in terms of safety in the automotive field.
Bei Systemen mit mehreren Maschinen und Frequenzumrichtern können die Überwachungselektroniken miteinander verbunden sein, um das Einschalten der Kurzschlüsse zu koordinieren.In systems with several machines and frequency converters, the monitoring electronics can be connected to one another in order to coordinate the switching on of the short circuits.
Die zur Anwendung im Traktionsfall vorgesehenen Maschinen haben auslegungsbedingt zwangsläufig relativ hohe Induktivitäts werte. Diese begrenzen - außer bei sehr niedrigen Drehzahlen, bei denen aber die Spannungen nicht mehr gefährlich sind und der Kurzschluß wieder abgeschaltet sein kann - die im Kurzschlußfall fließenden Ströme, die in erster Linie Blindströme sind.The machines intended for use in the event of traction inevitably have relatively high inductance values due to their design. These limit - except at very low speeds, at which the voltages are no longer dangerous and the short circuit can be switched off again - the currents flowing in the event of a short circuit, which are primarily reactive currents.
Damit können auch keine gefährlichen Bremsmomente mehr auftreten. Das bei sehr niedrigen Drehzahlen (die maximale Drehzahl derartiger Maschinen liegt typisch bei 6.000 - 10.000 1/Min) auftretende maximale Moment im kurzgeschlossenen Betrieb liegt typischerweise bei 50 - 100 % des maximalen Moments im aktiven Umrichterbetrieb. Dies erweist sich insbesondere bei einer Anwendung im Fahrzeug als wichtig.This means that dangerous braking torques can no longer occur. The maximum torque that occurs at very low speeds (the maximum speed of such machines is typically 6,000-10,000 rpm) in short-circuited operation is typically 50-100% of the maximum torque in active converter operation. This proves to be particularly important when used in a vehicle.
Die beschriebene Kurzschlußschaltung kann aber auch im Normalbetrieb gezielt aktiviert werden, um beispielsweise in bestimmten Betriebsbereichen durch die „passive" Betriebsart Sicherheits- und/oder Effizienzvorteile zu erzielen. Diese können beispielsweise darin bestehen, daß keine Schaltverluste im Umrichter auftreten wie im aktiven Betrieb. Dies zeigt sich beispielsweise bei einem mit einem Parallelhybrid- Antrieb ausgestatteten Fahrzeug. Bei einer Konstantfahrt mit hoher Abtriebsdrehzahl, ohne daß die Elektromaschine aktiv sein soll, ist es weniger verlustbehaftet, die Maschine in den geschilderten Kurzschluß zu schalten als im aktiven Umrichterbetrieb mit der Drehmomentvorgabe 0 laufen zu lassen. Bei anderen Hybridkonzepten wie beispielsweise bei einer Leistungsverzweigung mit Differential kann die kurzgeschlossene permanenterregte Synchronmaschine in bestimmten Betriebspunkten (Generator festgelegt -> „5. Gang") eine mechanische Haltebremse ersetzen bzw. gegenüber dem aktiven Umrichterbetrieb in diesem Fall die Verluste drastisch reduzieren (50% - 70%).However, the short-circuit circuit described can also be specifically activated in normal operation, for example in order to achieve safety and / or efficiency advantages in certain operating ranges through the “passive” operating mode. These can, for example, consist in no switching losses occurring in the converter as in active operation can be seen, for example, in a vehicle equipped with a parallel hybrid drive. In a constant travel with high output speed, without the electric machine being supposed to be active, it is less lossy to switch the machine into the short-circuit described than to let it run in torque converter 0 in active converter operation. With other hybrid concepts such as a power split with differential, the short-circuited, permanently excited synchronous machine can replace a mechanical holding brake at certain operating points (generator set ->"5thgear") or, in this case, drastically reduce the losses compared to active converter operation (50% - 70%).
Die Überwachungselektronik verfügt vorteilhaft über einen Energiespeicher wie beispielsweise einen Kondensator, einen Superkondensator oder eine Batterie, der im normalen Betrieb über eine geeignete Versorgungsschaltung aufgeladen wird und den Betrieb der Überwachungsei ektronik über den Kurzschluß hinweg sicher stellt. Die Versorgungsschaltung kann beispielsweise durch einen DC/DC-Wandler aus dem Zwischenkreis oder dem Bordnetz gebildet werden. Andere Vers orgungs arten sind auch möglich. Die Überwachungselektronik kann den Kurzschluß aufrecht erhalten, bis der Antrieb bzw. das Fahrzeug zum Stillstand gekommen ist. Ebenso kann der Kurzschluß auch nach kurzer Zeit aufgehoben werden. Diese kurze Zeit kann in der Größenordnung von einigen Sekunden liegen. Steigt die Spannung danach immer noch über die zulässige Maximalspannung an, wird der Kurzschluß wieder eingeschaltet.The monitoring electronics advantageously have an energy storage device such as a capacitor, a supercapacitor or a battery which is charged during normal operation via a suitable supply circuit and ensures the operation of the monitoring electronics over the short circuit. The supply circuit can be formed, for example, by a DC / DC converter from the intermediate circuit or the vehicle electrical system. Other types of supply are also possible. The monitoring electronics can maintain the short circuit until the drive or the vehicle has come to a standstill. The short circuit can also be removed after a short time. This short time can be of the order of a few seconds. If the voltage then still rises above the permissible maximum voltage, the short circuit is switched on again.
Die Überwachungselektronik kann die Leistungsschalter direkt betätigen oder die im Frequenzumrichter vorhandenen Ansteuerschaltungen mitbenutzen.The monitoring electronics can operate the circuit breakers directly or use the control circuits in the frequency converter.
Als besonders vorteilhaft erweist sich bei der vorliegenden Erfindung, daß der Zusatzaufwand für die Anwendung dieser Erfindung minimal ist durch die Ausnutzung der vorhandenen Leistungskomponenten und deren Peripherie wie beispielsweise der Kühlung.It has proven to be particularly advantageous in the present invention that the additional effort for the application of this invention is minimal due to the utilization of the existing power components and their peripherals, such as cooling.
Abhängig vom Anwendungsfall kann die Überwachungselektronik den Kurzschluß nach verschiedenen Kriterien aufheben, um über den auslaufenden Antrieb bzw. das auslaufenden Fahrzeug den Zwischenkreis mit Energie zu versorgen für vorhandene Verbraucher.Depending on the application, the monitoring electronics can cancel the short circuit according to various criteria in order to supply the intermediate circuit with energy for existing consumers via the drive or vehicle that is running out.
Ebenso kann die Schaltungsanordnung auch so ausgebildet sein, daß die Überwachungselektronik die angeschlossene Synchronmaschine nur teilweise kurzschließt. Abhängig von der Anwendung kann der gewünschte Effekt auch erreicht werden durch Öffnen aller sechs Leistungsschalter oder durch einen zusätzlichen Schalter im Zwischenkreis Hierzu ist es erforderlich, daß der Zwischenkreis kurzgeschlossen werden darf. Dies bedingt wiederum, daß keine Batterie vorhanden ist oder eine Batterie mit einer schnell auslösenden Sicherung.The circuit arrangement can also be designed such that the monitoring electronics only partially short-circuits the connected synchronous machine. Depending on the application, the desired effect can also be achieved by opening all six circuit breakers or by an additional switch in the intermediate circuit. This requires that the intermediate circuit may be short-circuited. This in turn means that there is no battery or a battery with a quick-release fuse.
Außer bei der im Ausfuhrungsbeispiel beschriebenen Synchronmaschine kann die Erfindung auch bei allen anderen Maschinen zur Anwendung kommen, die im Fehlerfall und/oder bei Überdrehzahlen oder Lastabwurf zumindest vorübergehend Überspannungen generieren oder bei denen unerwünschte Momente auftreten können bzw. bei denen ein bestimmtes Momentenverhalten gewünscht ist.In addition to the synchronous machine described in the exemplary embodiment, the invention can also be used in all other machines which, in the event of a fault and / or in the case of overspeed or load shedding, at least temporarily generate overvoltages or in which undesired moments can occur or in which a certain torque behavior is desired.
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Claims

P atentanspr üche Patent claims
1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters (101) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, wobei der Pulswechselrichter (101) in VoUbrückenschaltung aufgebaut ist, wobei sich in jedem Brückenzweig der VoUbrückenschaltung ein steuerbarer Schalter (103, 104, 105) sowie eine Freilauf diode befindet, wobei durch Ansteuerung wenigstens eines elektrisch ansteuerbaren Elementes wenigstens eine der Freilaufdioden kurzschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine elektrisch ansteuerbare Element der bzw. die steuerbaren Schalter (103, 104, 105) des entsprechenden Brückenzweiges bzw. der entsprechenden Brückenzweige ist bzw. sind.1.Device for controlling a pulse-controlled inverter (101) for controlling an electrical machine, the pulse-controlled inverter (101) being constructed in a bridge circuit, a controllable switch (103, 104, 105) and a freewheeling diode being located in each bridge branch of the bridge circuit. wherein at least one of the free-wheeling diodes can be short-circuited by driving at least one electrically controllable element, characterized in that the at least one electrically controllable element is or are the controllable switch (s) (103, 104, 105) of the corresponding bridge branch or the corresponding bridge branches .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the electrical machine is a permanently excited synchronous machine.
3. Verfahren zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters (101) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine unter Verwendung einer der Vorrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerung des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Elementes (103, 104, 105) erfolgt, wenn in dem Zwischenkreis eine Spannung oberhalb eines bestimmten Schwellwertes detektiert wird (102).3. A method for controlling a pulse-controlled inverter (101) for controlling an electrical machine using one of the devices according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one electrically controllable element (103, 104, 105) is controlled when in the DC link a voltage above a certain threshold value is detected (102).
4. Verfahren zur Ansteuerung eines Pulswechselrichters (101) zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine unter Verwendung einer der Vorrichtungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerung des wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Elementes (103, 104, 105) erfolgt, wenn eine Fehlfunktion detektiert wird (102).4. A method for controlling a pulse inverter (101) for controlling an electrical machine using one of the devices according to claim 1 or 2, characterized in that a control of the at least one electrically controllable element (103, 104, 105) takes place when a malfunction is detected (102).
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