他励同步电机的转子的去磁
阅读说明：本技术 他励同步电机的转子的去磁 (Demagnetization of rotor of separately excited synchronous machine ) 是由 M·席德迈尔 S·布鲁塞克 于 2020-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于他励同步电机的转子的去磁的电路装置以及用于运行这样的电路装置的方法,该电路装置包括至少一个与他励同步电机的转子绕组(W-R)的各个极相连接的开关电路,所述开关电路具有二极管(D-3)、后置于所述二极管(D-3)的电容器(C-S)和第一开关(S-9)。(The invention relates to a circuit arrangement for demagnetization of a rotor of a separately excited synchronous machine, comprising at least one rotor winding (W) that is connected to the separately excited synchronous machine, and to a method for operating such a circuit arrangement R ) Having a diode (D) 3 ) Is arranged behind the diode (D) 3 ) Capacitor (C) S ) And a first switch (S) 9 )。)
技术领域
本发明涉及一种用于使他励同步电机的转子去磁/退磁的电路装置以及用于运行电路装置的方法。
背景技术
在电动领域中，对于电力牵引通常应用电机，通常是异步电机(ASM)、永磁激励的同步电机(PSM)或他励同步电机(FSM)。
他励同步电机在此具有如下特征，即其转子既不是如在ASM情况下的短路笼也不是如在PSM情况下的配备有永磁体的元件，而是简述为转动的线圈。流经线圈的电流可通过相应的电子器件调节。电流在此决定电机的调节或车辆牵引的调节。
FSM的调节通常由脉冲逆变器(PWR)进行，脉冲逆变器通常配置有中间电路电容器。此外FSM的定子绕组通过六个开关驱控，且调节其交流电压或交流电流。通常PWR连接到高压电池且通过其供电。
典型的电路在图1中示出。在此绘出了中间电路电容器C和开关元件S1至S6，其驱控FSM的定子绕组。定子绕组WR的电路与中间电路电容器C并联连接。该电路附加地包括开关元件S7和S8以及二极管D1和D2，借助于它们可调节流经FSM的转子的电流。
如果应将转子去磁(例如在碰撞或其他危急行驶情形的情况下)，那么存在如下可能方案：
1.打开/断开开关S7和S8。电流随后流经二极管D1、中间电路电容器C和二极管D2。由此继续给电容器C充电。在此面临电容器C的过载。该过载在最差的情况下可以导致该构件或其他构件的由于过压的失灵；
2.打开开关S7，开关S8保持闭合。电流流经开关S8和二极管D2。由此消除转子的磁化，然而这非常缓慢地发生。取决于转子的电阻和在半导体上的电压降，这可以持续长的时间。此外消除在电阻和半导体中的能量。亦即，将电能转换为热能，热能那么对于车辆及其牵引变得不可用；
3.打开开关S8，开关S7保持闭合。电流现在流经二极管D1和开关S7。在此也如在可能方案2中那样不利的是长的去磁化时间和可用的电能的损耗。
发明内容
在该背景下，本发明提出的目的在于，提供用于将他励同步电机的转子去磁的开关电路和方法，其能实现转子的可靠和快速的去磁且尽可能避免电能转换为热。
由文献DE 32 41 086 A1已知一种用于降低存储在减负荷网络中的电能的损耗的装置。在电机绕组中存储的能量在逆变器的开关过程中输出至减负荷网络中的电容器且传输至电路中的另一位置。
文献DE 10 2009 024 362 A1涉及一种用于地面运输工具的供能电路。地面运输工具的异步电机的供能电路中的能量运输在线圈中产生磁场，在磁场消除的情况下生成电流，该电流存储在供能电路的电容器中。
文献DE 10 2005 050 551 A1公开一种用于机动车的供能单元以及用于运行供能单元的方法。在机动车的线圈的磁场消除时生成的能量暂存在电容器中且用于供给车辆的负载。
该目的按照本发明通过具有权利要求1的特征的装置和具有权利要求8的特征的方法实现。本发明的设计和改进方案由从属权利要求和说明书得到。
按照本发明，存储在转子的磁场中的能量借助于带有电容器的缓冲电路/吸收电路转换为静电能。电容器可以在故障情况下吸收存储在FSM的转子中的能量。
本发明的主题是用于对他励同步电机(FSM)的转子进行去磁的电路装置，该电路装置包括至少一个与FSM的转子绕组的多个极相连接的开关电路，该开关电路具有二极管、连接在所述二极管下游的电容器和第一开关。
为了使转子去磁，闭合该开关。转子的电流经由二极管流入电容器中。该电容器被充电。该电容器越大程度地充电，越快速地消除转子的磁能。如果转子的磁能变为零，那么通过电流也变为零。二极管禁止从电容器回到转子中的通过电流。
在一个实施形式中，与电容器并联连接有第一电阻，通过第一电阻可以消除电容器的能量。
在另一实施形式中，电容器的正电极经由第二开关与转子绕组的正极连接；且电容器的负电极经由第三开关与转子绕组的负极连接。
一旦又应进行车辆的行驶运行，那么又可以将电容器的能量转换为转子中的磁能，其方法是：打开第一开关且闭合第二、第三开关。如果电容器放电到0V，那么又打开第二和第三开关。
在另一实施形式中，电容器的正电极经由第四开关与FSM的中间电路电容器的正电极连接；且电容器的负电极经由第二电阻和第五开关与中间电路电容器的负电极连接。备选地，第二电阻也可以设置成与第四开关串联，亦即设置在与电容器的正电极连接的电路支路中。
通过第四和第五开关的闭合，使电容器与中间电路电容器并联。如果转子的磁能存储在电容器中，那么至少一部分所存储的能量可以流入中间电路电容器。与电容器串联设置的第二电阻用于限制再充电电流。该实施形式仅仅能实现：电容器的电压与中间电路电容器的电压相等。静电能由电容器到中间电路电容器中的完全传输以此是不可能的。
在另一实施形式中，与电容器并联连接有蓄能电感。蓄能电感的多个极经由第六开关和第七开关与电容器的电极连接且经由第八开关和第九开关与FSM的中间电路电容器的电极连接。
如果电容器被充电，那么可以通过闭合第六和第七开关给蓄能电感充电。接着，打开第六和第七开关，且闭合第八和第九开关。存储在蓄能电感中的电流于是流经中间电路电容器且为中间电路电容器充电。该过程可如此长时间地重复，直至电容器的电荷消除且传输到中间电路电容器中。
所述开关可以构造成机械的、机电的或电子的开关，或者由半导体开关和机电开关的组合组成。适合的电子开关的示例是功率半导体开关，如IGBT、MOSFET或晶闸管。适合的机电开关的示例是接触器和继电器。
所述二极管在一个实施形式中构造成常规的半导体二极管。在另一实施形式中，二极管构成为肖特基二极管。
本发明的主题还有用于使用按照本发明的电路装置来对他励同步电机(FSM)的转子进行去磁的方法，亦即用于运行按照本发明的电路装置的方法。
在方法的一个实施形式中，将至少一个按照本发明的电路装置与FSM的至少一个转子绕组的多个极导电连接，并将存储在转子绕组中的电磁能传输至电路装置的电容器中。
在方法的一个实施形式中，如果又应进行车辆的行驶运行，那么将存储在电容器中的电能导回到转子绕组中。
在方法的另一实施形式中，紧接着将在电路装置的电容器中存储的电能至少部分地传输至FSM的中间电路电容器中。为此使电容器与中间电路电容器并联。
在方法的另一实施形式中，紧接着将在电路装置的电容器中存储的电能至少部分地传输至蓄能电感中。为此将电容器与蓄能电感并联连接。
在另一个实施形式中，紧接着将电磁能从蓄能电感传输到FSM的中间电路电容器中。为此将中间电路电容器与蓄能电感并联连接。
在方法的一个实施形式中，使电容器与蓄能电感如此长时间地并联连接，直至电容器完全放电。随后，使蓄能电感的极与电容器的电极分离且如此长时间地与中间电路电容器的电极连接，直至通过蓄能电感的通过电流变为零。
在方法的另一个实施形式中，交替地/轮流地将电容器与蓄能电感以及将蓄能电感与中间电路电容器连接，其中各自仅仅传输存储在电容器中的电能的一部分；且这些步骤如此频繁地重复，直至电容器完全放电。在一个实施形式中，以高频率重复这些步骤。
按照本发明的电路装置和按照本发明的方法的优点包括：其保护FSM的构件免于过压且提高总系统的能效，因为可以存储且再应用转子的磁能。
本发明另外的优点和设计方案由说明书和附图产生。
不言而喻，上述和以下还将进行阐明的特征不仅能以各自给出的组合应用，而且也能以其他组合或单独应用，而不会脱离本发明的范围。
附图说明
本发明借助实施形式在附图中示意性示出且参照附图进一步进行阐明。其中：
图1示出按照现有技术的FSM的电路图；
图2示出带有按照本发明的电路装置的第一实施形式的FSM的电路图；
图3示出带有按照本发明的电路装置的第二实施形式的FSM的电路图；
图4示出带有按照本发明的电路装置的第三实施形式的FSM的电路图；
图5示出带有按照本发明的电路装置的第四实施形式的FSM的电路图。
附图标记列表：
Si开关元件(i＝1-17)
Di二极管(i＝1-3)
C 中间电路电容器
CS 缓冲电容器
WR 转子绕组
RE 放电电阻
R 用于限制电流的电阻
LS 蓄能电感
具体实施方式
图1示意性地示出按照现有技术的FSM的电路图。在此描绘出带有中间电路电容器C和开关元件S1至S6的电路，开关元件S1至S6驱控FSM的定子绕组。转子绕组WR的电路与中间电路电容器C并联连接。该电路附加地包括开关元件S7和S8以及二极管D1和D2，借助于它们可以调节流经FSM的转子的电流。
为了使转子去磁(例如在碰撞或其他危急行驶情形的情况下)，那么存在如下可能方案：
1.开关S7和S8被打开。电流随后流经二极管D1、中间电路电容器C和二极管D2。由此继续给电容器C充电。在此面临电容器C的过载。该过载在最差的情况下可以导致该构件或其他构件的由于过压的失灵；
2.开关S7被打开，开关S8保持闭合。电流流经开关S8和二极管D2。由此消除转子的磁化，然而这非常缓慢地发生。取决于转子的电阻和在半导体上的电压降，这可以持续长的时间。此外消除在电阻和半导体中的能量。亦即，将电能转换为热能，热能那么对于车辆及其牵引变得不可用；
3.开关S8被打开，开关S7保持闭合。电流现在流经二极管D1和开关S7。在此也如在可能方案2中那样不利的是长的去磁化时间和可用的电能的损耗。
图2示出带有按照本发明的电路装置的第一实施形式的FSM的电路图。在转子绕组WR的两个极上连接有一个开关电路，该开关电路具有二极管D3、后置于二极管的缓冲电容器CS和第一开关S9。电容器CS并联连接有放电电阻RE，通过该放电电阻可以消除电容器CS的能量。
为了转子的去磁，打开开关S7和S8，闭合开关S9。转子的电流于是经由二极管D3流至电容器CS中。为该电容器充电。电容器CS越进一步地充电，那么越快速地消除转子的磁能。如果转子的磁能变为零，那么通过电流也变为零。二极管D3现在阻止：电容器CS把能量输送回转子中，因为该二极管D3禁止电流反流。放电电阻RE用于可消除缓冲电容器CS的能量。
图3示出带有按照本发明的电路装置的第二实施形式的FSM的电路图，其不具有放电电阻RE。取而代之地，电容器CS的正电极经由第二开关S10与转子绕组WR的正极连接，而电容器CS的负电极经由第三开关S11与转子绕组WR的负极连接。
如果现在借助于开关S9和二极管D3将转子去磁，且给电容器CS充电，那么为了电容器CS的放电，可以代替在图2中描绘的放电电阻RE或者结合电阻RE应用开关S10和开关S11。一旦又应进行车辆的行驶运行，则通过开关S10和开关S11的闭合，又可以将电容器CS的能量转换为转子中的磁能。如果将电容器CS放电到0V，那么又打开开关S10和开关S11。
图4示出带有按照本发明的电路装置的第三实施形式的FSM的电路图，其中，电容器CS的正电极经由开关S12与中间电路电容器C的正电极连接，且电容器CS的负电极经由电阻R和开关S13与中间电路电容器C的负电极连接。
如果转子的磁能存储在电容器CS中，那么可以通过开关S12和S13使电容器CS和中间电路电容器C并联。于是这负责使得存储在缓冲电容器CS中的能量可至少部分地流入中间电路电容器C中。与开关S13串联的电阻R在此负责用于限制再充电电流。
在此应提及的是，该实施形式仅仅允许：电容器CS的电压和中间电路电容器C的电压相等。以此不可能实现静电能的由CS至C的完全传输。为了实现这一点，在图5中示出的实施形式是适合的。
图5示出带有按照本发明的电路装置的第四实施形式的FSM的电路图，其中电容器CS并联连接有蓄能电感LS。蓄能电感LS的两个极经由开关S14和S15与电容器CS的电极连接，且经由开关S16和S17与中间电路电容器C的电极连接。
如果电容器CS借助于开关S9和二极管D3如上所述地充电且转子是无场的，那么打开开关S9，通过闭合两个开关S14和S15可以给蓄能电感LS充电。接着打开开关S15，且闭合开关S16和S17。在蓄能电感LS中存储的电流随后流经中间电路电容器C且给其充电。该过程可以如此长时间地重复，直至电容器CS的电荷被消除且传输至电容器C中。
在所述方法的一个变型中，如此长时间地闭合开关S14和S15，直至电容器CS完全放电。随后打开开关S15，且如此长时间地闭合开关S16和S17，直至通过电感LS的通过电流变为零。随后又打开开关S16和S17，该过程结束。通过这种方式使得开关过程的数目最小化，且在开关中的损耗尽可能地低。自然，必须在扼流圈LS中存储的最大能量在此是高的。
在所述方法的备选变型中，多次以较高频率开关所述开关S15、S16和S17，且多次实施所述过程。由此电感LS的参数规格可确定得显著更小。