EP2673877A2 - System mit einer elektrisch erregten maschine - Google Patents

System mit einer elektrisch erregten maschine

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EP2673877A2
EP2673877A2 EP11805062.4A EP11805062A EP2673877A2 EP 2673877 A2 EP2673877 A2 EP 2673877A2 EP 11805062 A EP11805062 A EP 11805062A EP 2673877 A2 EP2673877 A2 EP 2673877A2
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EP
European Patent Office
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energy storage
power supply
phase
electric machine
electrical machine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11805062.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Feuerstack
Erik Weissenborn
Martin Kessler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/92—Energy efficient charging or discharging systems for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors specially adapted for vehicles

Definitions

  • the invention relates to a system with an electrically excited machine, which is controlled by means of a controllable first energy storage and supplied with electrical energy, and a method for operating the system according to the invention.
  • Wind turbines as well as in vehicles such as hybrid or electric vehicles, increasingly electronic systems are used that combine new energy storage technologies with electric drive technology.
  • an electric machine 101 e.g. when
  • Rotary field machine is running, controlled by a converter in the form of a pulse inverter 102.
  • Characteristic of such systems is a so-called
  • an energy storage 104 usually a traction battery
  • an energy storage 104 usually a traction battery
  • several battery cells 105 are connected in series. Since the power provided by such an energy storage 104 must flow through all the battery cells 105 and a battery cell 105 can only conduct a limited current, battery cells are often additionally connected in parallel in order to increase the maximum current.
  • the series connection of several battery cells in addition to a high total voltage involves the problem that the entire energy storage fails if a single battery cell fails, because then no battery power can flow. Such a failure of the energy storage can lead to a failure of the entire system. In a vehicle, failure of the traction battery can result in the vehicle "stalling". For other applications, such as the rotor blade adjustment of
  • Wind turbines it may in unfavorable conditions, such as strong Wnd, even come to safety-threatening situations. Therefore, it is always high Reliability of the energy storage, where "reliability" is the ability of a system to work for a given time error-free.
  • the battery module strands in this case have a plurality of battery modules connected in series, each battery module having at least one battery cell and an associated controllable coupling unit, which allows depending on control signals to interrupt the respective battery module strand or to bridge the respectively associated at least one battery cell or each assigned to switch at least one battery cell in the respective battery module string.
  • suitable activation of the coupling units e.g. with the help of pulse width modulation, suitable phase signals for controlling the electrical machine can be provided, so that on a separate
  • Pulse inverter can be dispensed with.
  • the required for controlling the electrical machine pulse inverter is so to speak integrated into the battery.
  • the present invention provides a system having an n-phase, externally excited electrical machine, with n> 1, a controllable first energy store, which has n parallel power supply branches, wherein each of the power supply branches has a first connection, which in each case has one
  • Phase connection of the electrical machine is connected, and a second terminal, which is respectively connected to a common reference rail, has, wherein the reference rail is connected via a field winding of the electric machine with the neutral point of the electric machine.
  • the present invention provides a method of operating a system having an n-phase, externally excited electrical machine, with n> 1, and a controllable first energy store, which is n parallel
  • Has energy supply branches The method comprises the steps of Providing a DC voltage portion to each of the power supply branches, feeding the DC voltage portion into the phase terminals of the N-phase electric machine, and feeding a field winding of the electric power
  • An idea of the present invention is to feed a field winding of a foreign-excited electric machine via the star point of the electric machine.
  • a further idea of the present invention is to change the potential at the star point of an electrical machine by simply controlling energy storage modules in the energy supply branches in order to vary the current through the excitation winding of the electrical machine and thus be able to change the excitation of the machine.
  • the drive methods can be integrated in a simple manner into existing drive concepts for driving the stator windings of the electric machine.
  • a system in each of the n parallel power supply branches may have at least two energy storage modules connected in series, which each comprise at least one electrical energy storage cell with an associated controllable coupling unit.
  • the coupling units can be configured in full-bridge circuit or half-bridge circuit, depending on whether a reversal of the current direction in the power supply branches is desired or not.
  • a part of the series-connected energy storage modules can be controlled via the coupling units so that in each of the power supply branches to the output power supply voltage, a DC component is applied.
  • This DC component can then be fed via the phase terminals and the star point of the electric machine in the excitation winding. This allows the potential in the star point to be varied in several stages. By appropriate clocking of at least one energy storage module, the potential at the star point can also be adjusted continuously.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a system with an electric
  • Fig. 3 is a schematic representation of a system with an electrical
  • Fig. 4 is a schematic representation of a system with an electrical
  • Fig. 2 shows a system with an electric machine 1 and a controllable
  • the electric machine 1 is exemplified as a three-phase electric machine 1, which is powered by a controllable first energy storage 2 with energy.
  • the controllable first energy storage 2 comprises three
  • Power supply branches 2a, 2b, 2c which on the one hand with a reference potential 9 (reference rail), which leads in the illustrated embodiments with respect to phases U, V, W of the electric machine 1 a mean potential, via terminals 4a, 4b, 4c, and on the other are each connected to the individual phases U, V, W of the electric machine 1.
  • a connection 3a of a first power supply branch 2a with a first phase connection 1a of the electric machine 1 a connection 3b of a second energy supply branch 2b with a second phase connection 1b of the electrical machine 1
  • a connection 3c of a third energy supply branch 2c with a third phase connection 1 c of the electric machine 1 is coupled.
  • Each of the power supply branches 2a, 2b, 2c has in series
  • Energy storage modules 5a, 6a and 5b, 6b and 5c, 6c Exemplary is the Number of energy storage modules per power supply branch 2a, 2b, 2c in Fig. 2 two, but any other number of energy storage modules is also possible.
  • the energy storage modules 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c in turn each comprise a plurality of series-connected electrical energy storage cells in one
  • Energy storage cell device 7 In this case, the number of energy storage cells in an energy storage cell device 7 in Fig. 2 by way of example two, but any other number of energy storage cells is also possible.
  • the energy storage modules 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c furthermore each include a coupling unit 8, which is assigned to the energy storage cells 7 of the respective energy storage module 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c.
  • the coupling units and the energy storage cell devices are only in the energy storage module 5c with
  • the energy storage modules 5a, 5b, 6a, 6b, 6c may include similar coupling units and energy storage cell devices.
  • the coupling units 8 are each formed by four controllable switching elements, which are connected in the form of a full bridge.
  • the switching elements may be used as power semiconductor switches, e.g. in the form of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors).
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors
  • Coupling units 8 each as a half-bridge circuit with only two in each case
  • Half-bridge circuits have the advantage of having lower power losses due to the lower number of switching elements, but have the disadvantage that the voltage at the output terminals 3a, 3c of the
  • Power supply branches can not be reversed.
  • Coupling units 8 the respective power supply branch 2a, 2b, 2c
  • Power supply branch 2a, 2b, 2c are switched.
  • Coupling units 8 determined and can be set in stages. The gradation results in dependence on the voltage of the individual
  • the coupling units 8 thus allow the phases U, V, W of the electrical
  • the power and operating mode of the electric machine 1 can be controlled by the controllable first energy store 2 with suitable control of the coupling units 8.
  • the controllable first energy storage 2 thus fulfills a dual function insofar as it on the one hand the electrical power supply on the other hand but also the control of
  • Electric machine 1 is used.
  • the electric machine 1 has stator windings, which in a known manner in
  • the electric machine 1 is in the illustrated embodiments as a three-phase three-phase machine
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a system with an electric machine 1 and a controllable energy store 2 according to an embodiment of the present invention.
  • the system shown in Fig. 3 differs from the system shown in Fig. 2 only in that at a neutral point 10 of the electric machine 1, a field winding 1 1 is connected, which in turn via the
  • Energy storage 2 is connected. In conventional control of the controllable first energy storage 2 is located at the star point 10 to an average potential. However, this potential can be shifted by the fact that in each case the energy storage cells 7 of one or more energy storage modules 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c of each energy supply branch 2a, 2b, 2c by appropriate control of the associated coupling units 8 permanently or clocked with positive or negative Poling in the respective
  • Power supply branch 2a, 2b, 2c are switched.
  • the voltages at the power supply branches 2a, 2b, 2c are thus each increased to a value or which is above or below a voltage value currently required for the power supply of the electric machine 1.
  • Power supply branches 2a, 2b, 2c can be a DC component over the
  • Phase terminals 1a, 1 b, 1c are fed into the star point 10, so that the potential in the star point 10 is variable.
  • a variable current can be conducted through the exciter winding 11, so that a variable exciter field in the electric machine 1 can be generated.
  • This interconnection which can be done within the electrical machine, eliminating the need for a separate motor connection to power the excitation winding 11th
  • Energy storage modules 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c, a reversal of the current through the excitation winding 1 1 can be achieved.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a system with an electrical machine and a controllable energy store according to a further embodiment of the present invention.
  • the system of Figure 4 differs from the system of Figure 3 essentially in that each of the power supply branches 2a, 2b, 2c has only one energy storage module. Furthermore, in the
  • Energy storage modules of the power supply branches 2a, 2b, 2c coupling units and energy storage cells 7 are provided which are associated with the respective energy storage modules.
  • the power supply branch 2a the power supply branch 2a
  • Energy storage module 5a with coupling units 8a and 8b and a

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System mit einer n-phasigen fremderregten elektrischen Maschine (1), mit n ≥ 1, einem steuerbaren ersten Energiespeicher (2), welcher n parallele Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c) aufweist, wobei jeder der Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c) einen ersten Anschluss (3a, 3b, 3c), welcher mit jeweils einem Phasenanschluss (1a, 1 b, 1c) der elektrischen Maschine (1) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss (4a, 4b, 4c), welcher jeweils mit einer gemeinsamen Bezugsschiene (9) verbunden ist, aufweist, wobei die Bezugsschiene (9) über eine Erregerwicklung (11) der elektrischen Maschine (1) mit dem Sternpunkt (10) der elektrischen Maschine (1) verbunden ist.

Description

Titel
System mit einer elektrisch erregten Maschine
Die Erfindung betrifft ein System mit einer elektrisch erregten Maschine, welche mit Hilfe eines steuerbaren ersten Energiespeichers gesteuert und mit elektrischer Energie versorgt wird, sowie ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Systems.
Stand der Technik
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, wie z.B.
Windkraftanlagen, wie auch in Fahrzeugen, wie Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, vermehrt elektronische Systeme zum Einsatz kommen, die neue Energiespeichertechnologien mit elektrischer Antriebstechnik kombinieren. In herkömmlichen Anwendungen wird, wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt, eine elektrische Maschine 101 , welche z.B. als
Drehfeldmaschine ausgeführt ist, über einen Umrichter in Form eines Pulswechselrichters 102 gesteuert. Kennzeichnend für derartige Systeme ist ein sogenannter
Gleichspannungszwischenkreis 103, über welchen ein Energiespeicher 104, in der Regel eine Traktionsbatterie, an die Gleichspannungsseite des Pulswechselrichters 102 angeschlossen ist. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden mehrere Batteriezellen 105 in Serie geschaltet. Da der von einem derartigen Energiespeicher 104 bereitgestellte Strom durch alle Batteriezellen 105 fließen muss und eine Batteriezelle 105 nur einen begrenzten Strom leiten kann, werden oft zusätzlich Batteriezellen parallel geschaltet, um den maximalen Strom zu erhöhen. Die Serienschaltung mehrerer Batteriezellen bringt neben einer hohen Gesamtspannung das Problem mit sich, dass der gesamte Energiespeicher ausfällt, wenn eine einzige Batteriezelle ausfällt, weil dann kein Batteriestrom mehr fließen kann. Ein solcher Ausfall des Energiespeichers kann zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen. Bei einem Fahrzeug kann ein Ausfall der Antriebsbatterie zum "Liegenbleiben" des Fahrzeugs führen. Bei anderen Anwendungen, wie z.B. der Rotorblattverstellung von
Windkraftanlagen, kann es bei ungünstigen Rahmenbedingungen, wie z.B. starkem Wnd, sogar zu sicherheitsgefährdenden Situationen kommen. Daher ist stets eine hohe Zuverlässigkeit des Energiespeichers anzustreben, wobei mit "Zuverlässigkeit" die Fähigkeit eines Systems bezeichnet wird, für eine vorgegebene Zeit fehlerfrei zu arbeiten.
In den älteren Anmeldungen DE 102010027857.2 und DE 102010027861.0 sind Batterien mit mehreren Batteriemodulsträngen beschrieben, welche direkt an eine elektrische
Maschine anschließbar sind. Die Batteriemodulstränge weisen dabei eine Mehrzahl von in Serie geschalteten Batteriemodulen auf, wobei jedes Batteriemodul mindestens eine Batteriezelle und eine zugeordnete steuerbare Koppeleinheit aufweist, welche es erlaubt in Abhängigkeit von Steuersignalen den jeweiligen Batteriemodulstrang zu unterbrechen oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle zu überbrücken oder die jeweils zugeordnete mindestens eine Batteriezelle in den jeweiligen Batteriemodulstrang zu schalten. Durch geeignete Ansteuerung der Koppeleinheiten, z.B. mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, können auch geeignete Phasensignale zur Steuerung der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, so dass auf einen separaten
Pulswechselrichter verzichtet werden kann. Der zur Steuerung der elektrischen Maschine erforderliche Pulswechselrichter ist damit sozusagen in die Batterie integriert. Zum
Zwecke der Offenbarung werden diese beiden älteren Anmeldungen vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung einbezogen. Im Gegensatz zu konventionellen Systemen steht am Ausgang des Batteriesystems keine konstante Gleichspannung zur Verfügung, die beispielsweise zur Speisung einer
Erregerwicklung einer fremderregten elektrischen Maschine eingesetzt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer Ausführungsform ein System mit einer n- phasigen fremderregten elektrischen Maschine, mit n >1 , einem steuerbaren ersten Energiespeicher, welcher n parallele Energieversorgungszweige aufweist, wobei jeder der Energieversorgungszweige einen ersten Anschluss, welcher mit jeweils einem
Phasenanschluss der elektrischen Maschine verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, welcher jeweils mit einer gemeinsamen Bezugsschiene verbunden ist, aufweist, wobei die Bezugsschiene über eine Erregerwicklung der elektrischen Maschine mit dem Sternpunkt der elektrischen Maschine verbunden ist. Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zum Betrieb eines Systems mit einer n-phasigen fremderregten elektrischen Maschine, mit n >1 , und einem steuerbaren ersten Energiespeicher, welcher n parallele
Energieversorgungszweige aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Gleichspannungsanteils an jedem der Energieversorgungszweige, des Einspeisens des Gleichspannungsanteils in die Phasenanschlüsse der n-phasigen elektrischen Maschine, und des Speisens einer Erregerwicklung der elektrischen
Maschine mit dem in die Phasenanschlüsse eingespeisten Gleichspannungsanteil zum Erzeugen eines Erregerfeldes in der elektrischen Maschine.
Vorteile der Erfindung
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erregerwicklung einer fremderregten elektrischen Maschine über den Sternpunkt der elektrischen Maschine zu speisen.
Dadurch kann eine Verschaltung der Erregerwicklung mit dem Sternpunkt innerhalb der elektrischen Maschine erfolgen, so dass ein externer Motoranschluss im
erfindungsgemäßes System nicht mehr notwendig ist. Sämtliche zum Betrieb der elektrischen Maschine notwendigen Komponenten sind dabei bereits in dem
Energiespeichermodul vorhanden, so dass keine weiteren Komponenten zur Speisung der Erregerwicklung notwendig sind.
Eine weitere Idee der vorliegenden Erfindung ist es, durch eine einfache Ansteuerung von Energiespeichermodulen in den Energieversorgungszweigen das Potential im Sternpunkt einer elektrischen Maschine zu verändern, um den Strom durch die Erregerwicklung der elektrischen Maschine variieren und damit die Erregung der Maschine ändern zu können. Die Ansteuerverfahren können in einfacher Weise in bestehende Ansteuerkonzepte zur Ansteuerung der Statorwicklungen der elektrischen Maschine integriert werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein System in jedem der n parallelen Energieversorgungszweige mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule aufweisen, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle mit einer zugeordneten steuerbaren Koppeleinheit umfassen. Die Koppeleinheiten können dabei in Vollbrückenschaltung oder in Halbbrückenschaltung ausgestaltet sein, je nachdem, ob eine Umkehrung der Stromrichtung in den Energieversorgungszweigen gewünscht ist oder nicht. Ein Teil der in Reihe geschalteten Energiespeichermodule kann über die Koppeleinheiten so gesteuert werden, dass in jedem der Energieversorgungszweige auf die abgegebene Versorgungsspannung ein Gleichstromanteil beaufschlagt wird. Dieser Gleichstromanteil kann dann über die Phasenanschlüsse und den Sternpunkt der elektrischen Maschine in die Erregungswicklung eingespeist werden. Dadurch kann das Potential im Sternpunkt mehrstufig variiert werden. Durch entsprechendes Takten von mindestens einem Energiespeichermodul kann das Potential am Sternpunkt auch stufenlos eingestellt werden. Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems mit elektrischer Maschine aus dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen
Maschine und einem steuerbaren Energiespeicher,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen
Maschine und einem steuerbaren Energiespeicher gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen
Maschine und einem steuerbaren Energiespeicher gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein System mit einer elektrischen Maschine 1 und einem steuerbaren
Energiespeicher 2. Die elektrische Maschine 1 ist beispielhaft als dreiphasige elektrische Maschine 1 dargestellt, die über einen steuerbaren ersten Energiespeicher 2 mit Energie versorgt wird. Der steuerbare erste Energiespeicher 2 umfasst drei
Energieversorgungszweige 2a, 2b, 2c, welche einerseits mit einem Bezugspotential 9 (Bezugsschiene), welches in den dargestellten Ausführungsformen in Bezug auf Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 ein mittleres Potential führt, über Anschlüsse 4a, 4b, 4c, und andererseits jeweils mit den einzelnen Phasen U, V, W der elektrischen Maschine 1 verbunden sind. Dabei ist ein Anschluss 3a eines ersten Energieversorgungszweiges 2a mit einem ersten Phasenanschluss 1 a der elektrischen Maschine 1 , ein Anschluss 3b eines zweiten Energieversorgungszweiges 2b mit einem zweiten Phasenanschluss 1 b der elektrischen Maschine 1 , und ein Anschluss 3c eines dritten Energieversorgungszweiges 2c mit einem dritten Phasenanschluss 1 c der elektrischen Maschine 1 gekoppelt. Jeder der Energieversorgungszweige 2a, 2b, 2c weist in Reihe geschaltete
Energiespeichermodule 5a, 6a bzw. 5b, 6b bzw. 5c, 6c auf. Beispielhaft beträgt die Anzahl der Energiespeichermodule pro Energieversorgungszweig 2a, 2b, 2c in Fig. 2 zwei, wobei jedoch jede andere Anzahl von Energiespeichermodulen ebenso möglich ist.
Die Energiespeichermodule 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c wiederum umfassen jeweils mehrere in Reihe geschaltete elektrische Energiespeicherzellen in einer
Energiespeicherzelleneinrichtung 7. Dabei beträgt die Anzahl der Energiespeicherzellen in einer Energiespeicherzelleneinrichtung 7 in Fig. 2 beispielhaft zwei, wobei jedoch jede andere Zahl von Energiespeicherzellen ebenso möglich ist. Die Energiespeichermodule 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c umfassen des Weiteren jeweils eine Koppeleinheit 8, welche den Energiespeicherzellen 7 des jeweiligen Energiespeichermoduls 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c zugeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Koppeleinheiten und die Energiespeicherzelleneinrichtungen nur in dem Energiespeichermodul 5c mit
Bezugszeichen versehen. Es versteht sich jedoch, dass die Energiespeichermodule 5a, 5b, 6a, 6b, 6c ähnliche Koppeleinheiten und Energiespeicherzelleneinrichtungen umfassen können.
In den dargestellten Ausführungsvarianten werden die Koppeleinheiten 8 jeweils durch vier steuerbare Schaltelemente gebildet, welche in Form einer Vollbrücke verschaltet sind. Die Schaltelemente können dabei als Leistungshalbleiterschalter, z.B. in Form von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder als MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), ausgeführt sein. Es kann jedoch auch möglich sein, die
Koppeleinheiten 8 jeweils als Halbbrückenschaltung mit lediglich jeweils zwei
Schaltelementen auszubilden. Halbbrückenschaltungen bieten den Vorteil, aufgrund der geringeren Schaltelementzahl geringere Leistungverluste aufzuweisen, haben jedoch den Nachteil, dass die Spannung an den Ausgangsanschlüssen 3a, 3c der
Energieversorgungszweigen nicht umgepolt werden kann.
Im beispielhaft dargestellten Fall einer Vollbrückenschaltung ermöglichen es die
Koppeleinheiten 8, den jeweiligen Energieversorgungszweig 2a, 2b, 2c durch
Öffnen aller Schaltelemente einer Koppeleinheit 8 zu unterbrechen. Alternativ
können die Energiespeicherzellen 7 durch Schließen von jeweils zwei der
Schaltelemente einer Koppeleinheit 8 entweder überbrückt oder in den jeweiligen
Energieversorgungszweig 2a, 2b, 2c geschaltet werden. Die Gesamt-Ausgangsspannungen der Energieversorgungszweige 2a, 2b, 2c
werden durch den jeweiligen Schaltzustand der steuerbaren Schaltelemente der
Koppeleinheiten 8 bestimmt und können stufig eingestellt werden. Die Stufung ergibt sich dabei in Abhängigkeit von der Spannung der einzelnen
Energiespeichermodule 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c.
Die Koppeleinheiten 8 erlauben es damit, die Phasen U, V, W der elektrischen
Maschine 1 entweder gegen ein hohes Bezugspotential oder ein niedriges
Bezugspotential zu schalten und können insofern auch die Funktion eines
bekannten Wechselrichters erfüllen. Damit können Leistung und Betriebsart der elektrischen Maschine 1 bei geeigneter Ansteuerung der Koppeleinheiten 8 durch den steuerbaren ersten Energiespeicher 2 gesteuert werden. Der steuerbare erste Energiespeicher 2 erfüllt also insofern eine Doppelfunktion, da er einerseits der elektrischen Energieversorgung andererseits aber auch der Steuerung der
elektrischen Maschine 1 dient.
Die elektrische Maschine 1 weist Statorwicklungen auf, die in bekannter Weise in
Sternschaltung miteinander verschaltet sind. Die elektrische Maschine 1 ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen als dreiphasige Drehstrommaschine
ausgeführt, kann aber auch weniger oder mehr als drei Phasen aufweisen. Nach der Phasenanzahl der elektrischen Maschine richtet sich dementsprechend die
Anzahl der Energieversorgungszweige 2a, 2b, 2c in dem steuerbaren ersten
Energiespeicher 2.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen Maschine 1 und einem steuerbaren Energiespeicher 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das in Fig. 3 dargestellte System unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten System lediglich darin, dass an einem Sternpunkt 10 der elektrischen Maschine 1 eine Erregerwicklung 1 1 angeschlossen ist, die wiederum über die
Bezugsschiene 9 jeweils mit den Anschlüssen 4a, 4b, 4c des steuerbaren
Energiespeichers 2 verbunden ist. Bei konventioneller Ansteuerung des steuerbaren ersten Energiespeichers 2 liegt an dem Sternpunkt 10 ein mittleres Potential an. Dieses Potential kann jedoch dadurch verschoben werden, dass jeweils die Energiespeicherzellen 7 eines oder mehrerer Energiespeichermodule 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c eines jeden Energieversorgungszweiges 2a, 2b, 2c durch entsprechende Ansteuerung der zugehörigen Koppeleinheiten 8 dauerhaft oder getaktet mit positiver oder negativer Polung in den jeweiligen
Energieversorgungszweig 2a, 2b, 2c geschaltet werden. Die Spannungen an den Energieversorgungszweigen 2a, 2b, 2c werden somit jeweils auf einen Wert erhöht bzw. erniedrigt, welcher überhalb bzw. unterhalb eines aktuell zur Energieversorgung der elektrischen Maschine 1 benötigten Spannungswerts liegt.
Über diese Erhöhung bzw. Erniedrigung der Spannungen an den
Energieversorgungszweigen 2a, 2b, 2c kann ein Gleichspannunganteil über die
Phasenanschlüsse 1a, 1 b, 1c in den Sternpunkt 10 eingespeist werden, so dass das Potential im Sternpunkt 10 veränderlich ist. Über die Rückkopplung des Sternpunktes 10 mit der Bezugsschiene 9 des steuerbaren Energiespeichers 2 kann ein variabler Strom durch die Erregerwicklung 11 geleitet werden, so dass ein variables Erregerfeld in der elektrischen Maschine 1 erzeugt werden kann. Über diese Verschaltung, die innerhalb der elektrischen Maschine erfolgen kann, entfällt die Notwendigkeit für einen separaten Motoranschluss zur Speisung der Erregerwicklung 11.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 mit der Vollbrückenschaltung der Koppeleinheiten 8 kann über eine entsprechende Ansteuerung der
Energiespeichermodule 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c eine Umpolung des Stroms durch die Erregerwicklung 1 1 erreicht werden. Es ist jedoch beispielsweise auch möglich, einzelne der Energiespeichermodule 5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c mit Koppeleinheiten 8 in
Halbbrückenschaltung zu realisieren. Wenn diese Energiespeichermodule zur
Bereitstellung des Gleichspannungsanteils an den Phasenanschlüssen 1a, 1 b, 1 c verwendet werden, ist es zwar nicht mehr möglich, eine Umpolung des Stroms durch die Erregerwicklung zu realisieren, jedoch sinken durch die geringere Zahl an notwendigen Schaltelementen in einer Halbbrückenschaltung der Koppeleinheiten 8 die
Leistungsverluste an den Schaltelementen dieser Energiespeichermodule.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems mit einer elektrischen Maschine und einem steuerbaren Energiespeicher gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem System nach Fig. 3 im Wesentlichen darin, dass jeder der Energieversorgungszweige 2a, 2b, 2c lediglich ein Energiespeichermodul aufweist. Weiterhin sind in den
Energiespeichermodulen der Energieversorgungszweige 2a, 2b, 2c Koppeleinheiten und Energiespeicherzellen 7 vorgesehen, die den jeweiligen Energiespeichermodulen zugeordnet sind. Beispielhaft ist im Energieversorgungszweig 2a das
Energiespeichermodul 5a mit Koppeleinheiten 8a und 8b sowie einer
Energiespeicherzelleneinrichtung 7 dargestellt. In Fig. 4 ist die
Energiespeicherzelleneinrichtung 7 über eine Halbbrückenschaltung mit den Anschlüssen 3a bzw. 4a verbindbar und/oder überbrückbar. Dazu befindet sich eine Koppeleinheit 8a in einem Zweig parallel zur Energiespeicherzelleneinrichtung 7 und eine Koppeleinheit 8b in Reihenschaltung in dem Zweig der Energiespeicherzelleneinrichtung 7. Wie in Fig. 4 weiterhin dargestellt, ist es prinzipiell möglich, jedes der Energiespeichermodule mit unterschiedlichen Koppeleinheiten auszugestalten, beispielsweise mit Koppeleinheiten in Halbbrückenschaltung und Koppeleinheiten in Vollbrückenschaltung. Es ist jedoch selbstverständlich ebenso möglich, alle Energiespeichermodule in Fig. 4 mit
Koppeleinheiten in Halbbrückenschaltung auszugestalten.

Claims

Ansprüche 1. System, mit:
einer n-phasigen fremderregten elektrischen Maschine (1), mit n > 1 ;
einem steuerbaren ersten Energiespeicher (2), welcher n parallele
Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c) aufweist, wobei jeder der
Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c) einen ersten Anschluss (3a, 3b, 3c), welcher mit jeweils einem Phasenanschluss (1a, 1 b, 1c) der elektrischen Maschine (1) verbunden ist, und einen zweiten Anschluss (4a, 4b, 4c), welcher jeweils mit einer gemeinsamen Bezugsschiene (9) verbunden ist, aufweist, wobei die Bezugsschiene
(9) über eine Erregerwicklung (1 1) der elektrischen Maschine (1) mit dem Sternpunkt
(10) der elektrischen Maschine (1) verbunden ist.
2. System nach Anspruch 1 , wobei das Potential an dem Sternpunkt (10) der elektrischen Maschine (1) veränderbar ist.
3. System nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei jeder der n parallelen
Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c) mindestens zwei in Reihe geschaltete
Energiespeichermodule (5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c) aufweist, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (7) mit einer zugeordneten steuerbaren
Koppeleinheit (8) umfassen.
4. Verfahren zum Betrieb eines Systems mit einer n-phasigen fremderregten elektrischen Maschine (1), mit n > 1 , und einem steuerbaren ersten Energiespeicher (2), welcher n parallele Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c) aufweist, mit den Schritten:
Bereitstellen eines Gleichspannungsanteils an jedem der Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c);
Einspeisen des Gleichspannungsanteils in die Phasenanschlüsse (1 a, 1 b, 1 c) der n- phasigen elektrischen Maschine (1); und
Speisen einer Erregerwicklung (1 1) der elektrischen Maschine (1) mit dem in die Phasenanschlüsse (1 a, 1 b, 1 c) eingespeisten Gleichspannungsanteil zum Erzeugen eines Erregerfeldes in der elektrischen Maschine (1).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Erregerwicklung (1 1) mit dem in die
Phasenanschlüsse (1 a, 1 b, 1 c) eingespeisten Gleichspannungsanteil aus dem
Sternpunkt (10) der elektrischen Maschine (1) gespeist wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, wobei jeder der
Energieversorgungszweige (2a, 2b, 2c) mindestens zwei in Reihe geschaltete Energiespeichermodule (5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c) aufweist, welche jeweils mindestens eine elektrische Energiespeicherzelle (7) mit einer zugeordneten steuerbaren
Koppeleinheit (8) umfassen, und wobei das Bereitstellen des Gleichspannungsanteils das Zuschalten mindestens eines der Energiespeichermodule (5a, 5b, 5c, 6a, 6b, 6c) in den jeweiligen Energieversorgungszweig (2a, 2b, 2c) umfasst.
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