Die Erfindung betrifft eine Ansteuereinrichtung für eine elektrische Antriebsvorrichtung, wobei die elektrische Antriebsvorrichtung wenigstens eine Spuleneinrichtung aufweist und wobei die Ansteuereinrichtung einen Versorgungsausgang zur Versorgung der Spuleneinrichtung mit elektrischer Energie in Form eines periodischen Ausgangssignals aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung mittels einer derartigen Ansteuereinrichtung.

Ansteuereinrichtungen der eingangs genannten Art haben die Aufgabe, elektrische Energie, die in Form eines elektrischen Stroms von einer Stromoder Spannungsquelle geliefert wird, an die elektrische Antriebsvorrichtung anzupassen. Dies kann beispielsweise beinhalten, dass die verfügbare Spannung an die Antriebsvorrichtung angepasst wird oder der Strom, welcher der Antriebsvorrichtung zur Verfügung steht, begrenzt wird.

Ebenso ist es möglich, mittels der Ansteuereinrichtung Einfluss auf die Drehzahl und das verfügbare Moment der elektrischen Antriebsvorrichtung zu nehmen. Für kleine Leistungen ist es theoretisch möglich, den elektrischen Strom resistiv anzupassen, also den Anteil der elektrischen Leistung, der nicht für den Antrieb verwendet werden soll, in Wärme umzuwandeln. Diese Vorgehensweise stößt bei höheren Leistungen schnell an thermische Grenzen.

Häufig wird für die Drehzahlsteuerung eine Pulsweitenmodulation (PWM) verwendet. Für dieses Verfahren werden elektronische Schaltelemente verwendet, die gewöhnlich als Halbleiter ausgebildet sind. Bei der Pulsweitenmodulation sind die elektronischen Schaltelemente zu einem gegebenen Zeitpunkt entweder eingeschaltet oder ausgeschaltet. Im eingeschalteten

|Bestätigungskopie| Zustand weisen die Schaltelemente einen sehr geringen Widerstand auf, was insbesondere bei großen Strömen in einem geringen Spannungsabfall an dem Schaltelement und somit in einer geringen Verlustleistung innerhalb des Schaltelementes resultiert. Im ausgeschalteten Zustand weisen die Schaltelemente einen sehr hohen Widerstand auf, wodurch nur ein geringer Strom fließt und somit wiederum die Verlustleistung innerhalb des Schaltelementes gering ist.

Während des Übergangs von einem Zustand in den anderen stellen derartige Schaltelemente einen elektrischen Widerstand dar, in dem eine sehr hohe Verlustleistung anfällt. Daher ist das Bestreben bei Ansteuerungseinrichtun- gen darauf gerichtet, möglichst kurze Schaltzeiten der Schaltelemente zu erreichen, so dass die Zeit, in der eine hohe Verlustleistung anfällt, minimiert wird.

Die Erfindung geht auf die Aufgabe zurück, eine Ansteuereinrichtung der eingangs genannten Art effizienter auszugestalten. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebsvorrichtung mit erhöhter Effizienz vorgeschlagen werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Ansteuereinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist bei einer Ansteuereinrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Versorgungsausgang zum Anschluss der Spuleneinrichtung an die Ansteuereinrichtung eine Kondensatoreinrichtung aufweist, die mit der Spuleneinrichtung in Serie geschaltet ist. Die Reihenschaltung aus Kondensator und Spule kann einen Schwingkreis bilden, so dass die daran anliegende Spannung sowie der dadurch fließende Strom einer periodischen Veränderung unterliegen. Diese periodische Veränderung kann die Ansteuereinrichtung dazu verwenden, ihre eigene Verlustleistung zu reduzieren. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhaft weist die Ansteuereinrichtung eine Abstimmungseinrichtung auf, welche zur Abstimmung von Eigenschaften des Ausgangssignals mit Eigenschaften der Kondensatoreinrichtung und der Spuleneinrichtung ausgebildet ist. Insbesondere kann die Abstimmungseinrichtung zur Abstimmung einer Frequenz des Ausgangssignals mit einer Resonanzfrequenz der an dem Ausgang angeschlossenen Serienschaltung aus Kondensatoreinrichtung und Spuleneinrichtung ausgebildet sein. Dadurch können Steuervorgänge, die von der Ansteuereinrichtung ausgelöst werden, zu einem energetisch günstigen Zeitpunkt jeder Periode des Ausgangssignals durchgeführt werden.

Die Ansteuereinrichtung kann Schaltereinrichtungen zur Formung des Ausgangssignals aufweisen, wobei die Schaltereinrichtungen steuerbar ausgebildet sind, zwei Betriebszustände aufweisen und zur Steuerung mit der Abstimmungseinrichtung verbunden sind. Die Abstimmungseinrichtung kann zur Steuerung der Schaltereinrichtungen derart ausgebildet sein, dass ein Wechsel des Betriebszustands durchgeführt wird, wenn durch die Schaltereinrichtung kein Strom fließt. Wenn durch die Schaltereinrichtung kein Strom fließt, dann fällt an ihr auch während des Wechsels des Betriebszustandes keine Spannung ab, so dass in der Schaltereinrichtung keine Verlustleistung auftritt.

Die Ansteuereinrichtung kann zur Ansteuerung einer elektrischen Antriebsvorrichtung ausgebildet sein, die eine Drehfeldmaschine, insbesondere eine Asynchronmaschine aufweist, wobei die Asynchronmaschine die Spuleneinrichtung umfasst. Drehfeldmaschinen sind besonders einfach regelbar und besitzen keine Schleifkontakte, so dass der Wartungsaufwand verringert wird. Die Asynchronmaschine kann mehrere Phasen aufweisen, wobei die An- steuereinrichtung für jede der Phasen einen unabhängigen Ansteuerungska- nal aufweist.

Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Ansteuerung einer Spuleneinrichtung einer elektrischen Antriebsvorrichtung gemäß Patentanspruch 7. Bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren wird das Ausgangssignal der Ansteu- ereinrichtung mit der Resonanzfrequenz moduliert, wobei eine Spannung des Ausgangssignals zu einem Zeitpunkt umgeschaltet wird, zu dem eine Stromstärke des Ausgangssignals einen Wert nahe Null annimmt. Dadurch kann wieder der günstige Zeitpunkt für Schaltvorgänge innerhalb der Ansteuerein- richtung verwendet werden, in dem kein Strom fließt und somit auch keine Verlustleistung bei einem Schaltvorgang anfällt.

Vorteilhaft wechseln die Schaltereinrichtungen der Ansteuerungseinrichtung ihren Betriebszustand, wenn eine Stromstärke durch die Schaltereinrichtungen den Wert Null annimmt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Es zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 ein Funktionsschaltbild einer elektrischen Antriebsvorrichtung mit einer Ansteuereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltbild einer elektrischen Antriebsvorrichtung mit einer Ansteuereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 einen Spannungs- und Stromverlauf der in Fig. 2 gezeigten Schaltung und

Fig. 4 einen Verlauf einer Ausgangsleistung der in Fig. 2 gezeigten Schaltung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrische Antriebsvorrichtung, in diesem Fall eine Asynchronmaschine 10, die für einen dreiphasigen Betrieb ausgelegt ist. Die Asynchronmaschine 10 weist drei Spuleneinrichtungen 12 auf, die zum Betrieb der Asynchronmaschine 10 mit jeweils um 120° phasenverschobenen Signalen angesteuert werden sollen. Da die Ansteuerung für die drei Spuleneinrichtungen 12 bis auf die Phasenverschiebung identisch ist, soll hier lediglich die Ansteuerung für eine der drei Spuleneinrichtungen 12 im Detail betrachtet werden.

Zur Ansteuerung der Spuleneinrichtung 12 ist eine Ansteuereinrichtung 20 vorgesehen. Die Ansteuereinrichtung 20 weist einen Versorgungsausgang 22 auf, der eine Wandlereinrichtung 24 aufweist. Die Wandlereinrichtung 24 formt elektrischen Strom, der einer nicht gezeigten Stromquelle entnommen wird, um, so dass er zur Ansteuerung der Spuleneinrichtung 12 verwendbar ist. Dieser umgeformte Strom stellt ein Ausgangssignal der Ansteuereinrichtung 20 dar. Das Ausgangssignal ist periodisch, wobei Frequenz, Amplitude und Wellenform des Ausgangssignals an die Spuleneinrichtung 12 sowie an eine an die Spuleneinrichtung 12 zu übertragende Leistung angepasst sind.

Die Ansteuereinrichtung 20 weist eine Kondensatoreinrichtung 26 auf, über die das Ausgangssignal auf eine Anschlussleitung 28 übertragen wird. Die Kondensatoreinrichtung 26 ist mit der Spuleneinrichtung 12 in Serie geschaltet. Zur Anpassung und Steuerung der Wandlereinrichtung 24 weist die Ansteu- ereinrichtung 20 eine Abstimmeinrichtung 30 auf. Die Abstimmeinrichtung 30 überwacht einen Strom und eine Spannung des Ausgangssignals des Versorgungsausgangs 22 und steuert die Wandlereinrichtung 24 derart, dass ihr Wirkungsgrad erhöht wird.

Die in Fig. 2 gezeigte Wandlereinrichtung 24 weist vier Schaltereinrichtungen 32, 33 auf. Die Schaltereinrichtungen 32, 33 sind als Halbleiterschalter ausgebildet. Neben den hier verwendeten Leistungs-MOSFETs können für bestimmte Anwendungen auch IGBTs oder andere Halbleiterschalter als Schaltereinrichtungen 32, 33 infrage kommen.

Die Schaltereinrichtungen 32, 33 verbinden eine Stromversorgung 34 mit zwei Adern der Anschlussleitung 28. Die Abstimmeinrichtung 30, die hier nicht gezeigt ist, steuert die Schaltereinrichtungen 32, 33. Mithilfe der Schaltereinrichtungen 32, 33 kann die Abstimmeinrichtung 30 die Anschlussleitung 28 mit nahezu beliebigen Spannungsverläufen beaufschlagen. Darüber hinaus kann die Abstimmeinrichtung 30 mittels einer nicht gezeigten Messeinrichtung einen Strom 52 durch die Anschlussleitung 28 sowie eine zwischen den Adern der Anschlussleitung 28 anliegende Spannung 54 messen.

Die Spuleneinrichtung 12 der Asynchronmaschine 10 ist in Fig. 2 durch ihr Ersatzschaltbild als Serienschaltung aus einer Spule 36 und einem Widerstand 38 dargestellt. Die Kondensatoreinrichtung 26 weist einen Kondensator 40 auf und ist so mit der Spuleneinrichtung 12 zusammengeschaltet, dass sich insgesamt eine Serienschaltung aus der Spule 36, dem Widerstand 38 und dem Kondensator 40 ergibt (RLC-Glied).

Die Kondensatoreinrichtung 26 kann mittels Schaltern 42 je nach der gewünschter Betriebsart hinzugeschaltet oder abgeschaltet werden. Diese Serienschaltung bildet einen Schwingkreis, der Resonanzfrequenzen aufweist. Die Abstimmeinrichtung 30 beaufschlagt in einem Kalibrierungsschritt die Anschlussleitung 28 mit Spannungsverläufen unterschiedlicher Frequenz und Wellenformen und bestimmt daraus Resonanzfrequenzen der Serienschaltung.

Für Systeme, deren Eigenschaften bekannt sind, ist es möglich, einen Datenspeicher vorzusehen, in dem Daten über diese Eigenschaften, insbesondere die Resonanzfrequenzen, abgelegt sind. Ebenso ist es möglich, die Eigenschaften auf andere Weise fest in der Abstimmeinrichtung 30 zu hinterlegen.

Sofern die Abstimmeinrichtung in unterschiedlichen Systemen mit jeweils bekannten Eigenschaften eingesetzt werden soll, können die Daten über die Eigenschaften jedes dieser Systeme abgelegt werden. Die konkret zu verwendenden Daten sind dann, beispielsweise über Schaltereinrichtungen oder eine Programmierschnittstelle auswählbar.

Im Betrieb der Asynchronmaschine 10 wird die Anschlussleitung 28 und somit auch die Serienschaltung aus der Kondensatoreinrichtung 26 und der Spuleneinrichtung 12 mit einem Spannungsverlauf entsprechend einer ersten harmonischen Resonanzfrequenz versorgt.

Um einen periodischen Spannungsverlauf zu erzeugen, werden die Schaltereinrichtungen 32 und die Schaltereinrichtungen 33 jeweils abwechselnd geschlossen und geöffnet. Sind die Schaltereinrichtungen 32 geschlossen (erster Betriebszustand) so sind die Schaltereinrichtungen 33 geöffnet (zweiter Betriebszustand) und umgekehrt.

Da die Schaltereinrichtungen 32, 33 eine Trägheit aufweisen und der Übergang von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand eine gewisse Zeit dauert, werden die zu schließenden Schaltereinrichtungen 32, 33 erst mit einer kurzen Verzögerung nach dem Öffnen der Schaltereinrichtungen 32, 33 geschlossen. Würde diese Verzögerung nicht in den Ablauf eingefügt, so bestünde grundsätzlich die Gefahr, dass die Schaltereinrichtungen 32, 33 für kurze Zeit alle geschlossen sind und dadurch die Stromversorgung 34 kurzschließen. Abhängig von den verwendeten Schaltereinrichtungen und der verwendeten Ansteuerung kann die notwendige Verzögerung zwischen einigen Nanosekunden und wenigen Mikrosekunden betragen.

Die Abstimmeinrichtung 30 misst den Strom 52 durch die Anschlussleitung 28. Ist der Strom 52 gleich Null (Nulldurchgang) oder nahe Null, so fließt auch durch die jeweils geöffneten Schaltereinrichtungen 32, 33 kein oder lediglich ein zu vernachlässigender Strom. In jeder Periode des Ausgangssignals wartet die Abstimmeinrichtung 30 auf diesen Nulldurchgang, um die Schaltereinrichtungen 32, 33 von dem ersten in den zweiten beziehungsweise von dem zweiten in den ersten Betriebszustand zu versetzen. Zu diesem Zeitpunkt können die Schaltereinrichtungen 32, 33 geschlossen werden, ohne dass bei dem Schließvorgang eine relevante Verlustleistung an den Schaltereinrichtungen 32, 33 selbst abfallen würde. Dies erhöht die Effizienz der Wandlereinrichtung 24.

Im Diagramm von Fig. 3 sind beispielhaft die Stromstärke 52 und die Spannung 54 abhängig von der Zeit t aufgetragen. Die Stromstärke 52 wird von den dynamischen Eigenschaften der Serienschaltung aus Spule 36, Widerstand 38 und Kondensator 40 (RLC-Glied) sowie von dem Verlauf der Spannung 54 bestimmt. Die Abstimmeinrichtung 30 kann also mittels der Schaltereinrichtungen 32, 33 lediglich die Spannung 54 beeinflussen. In dem Diagramm ist zu sehen, dass die Abstimmeinrichtung 30 jeweils bei einem Durchgang der Stromstärke 52 durch eine Nulllinie 56 die Spannung 54 an der Anschlussleitung 28 invertiert. Somit werden die Schaltvorgänge der Schaltereinrichtungen 32, 33 in jeder Periode zu einem Zeitpunkt ausgeführt, zu dem sie nur eine unwesentliche Verlustleistung zur Folge haben.

In Fig. 4 ist eine an die Spuleneinrichtung 12 übertragene Gesamtleistung 58 abhängig von der Zeit t aufgetragen. Aufgrund des periodischen Ausgangssignals der Ansteuereinrichtung 20 ist auch der Verlauf der Gesamtleistung 58 periodisch.

Die hier gezeigte Asynchronmaschine 10 wird dreiphasig angesteuert.

Selbstverständlich kann die Asynchronmaschine 10 auch eine andere Anzahl Phasen aufweisen, wobei bei bestimmten Anwendungen die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasen nicht immer gleich sein muss.

Anstatt einer Asynchronmaschine 10 kann auch eine andere Drehfeldmaschine zum Einsatz kommen, deren Antrieb zur Kraft- oder Momentenerzeugung eine Spule aufweist, beispielsweise eine Synchronmaschine. Die Zahl der Phasen ist, unabhängig von der verwendeten Maschine, nicht auf drei begrenzt. Die erfindungsgemäße Ansteuereinrichtung 10 kann an jede Anzahl Phasen angepasst werden, ebenso wie die Ansteuereinrichtung 20.

Zur Steuerung einer effektiven Leistung der Asynchronmaschine 10 werden die Eigenschaften der Stromversorgung 34, also beispielsweise die von dieser Stromversorgung 34 bereitgestellte Spannung, angepasst.

Die Ansteuereinrichtung 20 verwendet gewöhnlich eine feste Frequenz, die einer Resonanzfrequenz des RLC-Gliedes entspricht. Eine solche feste Frequenz vereinfacht es, Störungen, die durch die Wandlereinrichtung 24 erzeugt werden, von der Stromversorgung 34 zu trennen. Ein zwischen die Stromversorgung 34 und die Wandlereinrichtung 24 geschaltetes Filterelement kann somit einfacher und wiederum kompakter und leichter ausgestaltet werden. Der günstigste Zeitpunkt für die Schaltvorgänge der Schaltereinrichtungen 32, 33 ist der Nulldurchgang selbst, also der Zeitpunkt, zu dem tatsächlich kein Strom durch die Schaltereinrichtungen 32, 33 fließt. Diese Zeitspanne ist naturgemäß sehr kurz. Die Schaltzeiten der Schaltereinrichtungen 32, 33 sind im Vergleich dazu häufig sehr lang. Daher ist die Ansteuereinrichtung 20 derart ausgebildet, dass der Schaltvorgang so stattfindet, dass der Strom, der durch die Schaltereinrichtungen 32, 33 fließt, während des Schaltvorgangs möglichst gering ist, so dass die Verluste während des Schaltvorgangs minimiert werden.

Dadurch, dass die Schaltvorgänge der Schaltereinrichtungen 32, 33 im Nulldurchgang oder nahe des Nulldurchgangs des durch sie fließenden Stroms durchgeführt werden, können die an induktiven Lasten häufig auftretenden Spannungsspitzen vermieden werden. Somit werden die Asynchronmaschine 10 und die Schaltereinrichtungen 32, 33 weniger belastet, was deren Lebensdauer erhöht.

Darüber hinaus macht die Ansteuereinrichtung 20 die Verwendung hoher Frequenzen für elektrische Hochgeschwindigkeitsantriebe und mehrpolige elektrische Antriebe möglich.

Die erfindungsgemäße Ansteuereinrichtung 20 verringert Schaltverluste und bietet dadurch einen verbesserten Wirkungsgrad. Durch die geringeren Schaltverluste werden für die Ansteuereinrichtung 20 vergleichsweise klein dimensionierte Schaltereinrichtungen 32, 33, vereinfachte Filtereinrichtungen zum Anschluss an die Stromversorgung 34 sowie lediglich eine vereinfachte und dadurch kompaktere und leichtere Kühlung benötigt. Da somit das Gewicht der Ansteuereinrichtung 20 gering ist, kann die Ansteuereinrichtung 20 vorteilhaft in Luftfahrzeugen verwendet werden. Bezugszeichenliste

0 Asynchronmaschine (elektrische Antriebsvorrichtung) 2 Spuleneinrichtung

0 Ansteuereinrichtung

2 Versorgungsausgang

4 Wandlereinrichtung

6 Kondensatoreinrichtung

8 Anschlussleitung

0 Abstimmeinrichtung

2 Schaltereinrichtung

3 Schaltereinrichtung

4 Stromversorgung

6 Spule

8 Widerstand

0 Kondensator

2 Stromstärke

4 Spannung

56 Nulllinie

58 Gesamtleistung