Titel

Maschinensystem und Verfahren zum Betreiben des Maschinensystems

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Maschinensystem nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist schon ein Maschinensystem aus der DE3227602 A1 bekannt, das einen Generator als elektrische Maschine und mehrere ungeregelte Halbbrücken einer ungesteuerten Doppelweg-Gleichrichterschaltung umfasst, wobei die elektrische Maschine einen Stator mit einer Statorwicklung aufweist, wobei die Halbbrücken jeweils zwei Eingangsknoten zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle, jeweils zwei zwischen den Eingangsknoten in Reihe geschaltete Schaltelemente und zwischen den Schaltelementen jeweils einen Phasenanschluss haben, wobei die Statorwicklung zwei mehrphasige Wicklungsteile mit derselben Phasenzahl umfasst, insbesondere zwei dreiphasige Wicklungsteile, wobei jeder Wicklungsteil eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungssträngen und eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungsanschlüssen aufweist, wobei die Wicklungsanschlüsse des einen Wicklungsteils mit Phasenanschlüssen einer ersten Gruppe von Halbbrücken und die Wicklungsanschlüsse des anderen Wicklungsteils mit Phasenanschlüssen einer zweiten Gruppe von Halbbrücken elektrisch verbunden sind, wobei jede Gruppe von Halbbrücken eine der Phasenzahl des jeweiligen Wicklungsteils entsprechende Anzahl von Halbbrücken aufweist, wobei die Phasenanschlüsse der ersten Gruppe von Halbbrücken jeweils über eine Brückenverbindung mit einem der Phasenanschlüsse der zweiten Gruppe von Halbbrücken unter Bildung eines Halbbrücken-Paares elektrisch verbindbar sind zur elektrischen Verbindung von zwei Wicklungsanschlüssen von unterschiedlichen Wicklungsteilen, wobei in der jeweiligen Brückenverbindung ein Thyristor als schaltbare Schalteinrichtung zum Unterbrechen der elektrischen Brückenverbindung vorgesehen ist. Die jeweilige Brückenverbindung ist jedoch nur in eine Stromrichtung durchgehend elektrisch leitend schaltbar. In einem Reihenschaltungsbetrieb unterhalb einer bestimmten Drehzahl eines Verbrennungsmotors sind die beiden Wicklungsteile der Statorwicklung zueinander in Reihe geschaltet und entsprechen einer einzigen Wicklung mit entsprechend hoher Windungszahl. In einem Parallelschaltungsbetrieb oberhalb der bestimmten Drehzahl des Verbrennungsmotors sind die beiden Wicklungsteile der Statorwicklung zueinander parallel geschaltet und entsprechen einer einzigen Wicklung mit geringerer Windungszahl als im Reihenschaltungsbetrieb. Es werden in beiden System betrieben immer alle Schalteinrichtungen der Brückenverbindungen gemeinsam entweder geöffnet oder geschlossen. Die ungeregelten Halbbrücken der Gleichrichterschaltung umfassen nur Dioden. Die Phasenströme werden durch die generatorisch in der Statorwicklung induzierten Phasenspannungen bestimmt. Es werden sogenannte „ungleichnamige“ Verbindungen durch die Brückenverbindungen geschaffen, so dass sich eine Phasenverschiebung der Phasenstränge eines über die jeweilige Brückenverbindung verbundenen Strangpaars von 60 Grad (=180°-120°) ergibt. Die beiden Wicklungsteile der Wicklung sind als zueinander „gegenphasig“ bezeichnet, was bedeuten soll, dass die Phasen der beiden Wicklungsteile entgegengesetzte Zyklusrichtungen haben. Darunter ist zu verstehen, dass die Wicklungsstränge der Wicklungsteile nach Fig.3 der DE3227601 A1 in entgegengesetzter Drehrichtung im Stator angeordnet sind.

Das Maschinensystem umfasst ein Phasensystem mit mehreren Phasen- Untersystemen, wobei das jeweilige Phasen-Untersystem gebildet ist durch eines der Halbbrücken-Paare, die Brückenverbindung des jeweiligen Halbbrücken- Paares und die beiden durch das jeweilige Halbbrücken-Paar verbindbaren Wicklungsanschlüsse.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Maschinensystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Leitungsverluste und die Schaltverluste in den Halbleitern der Halbbrücken im zeitlichen Mittel reduzierbar sind, was eine Erhöhung der Phasenströme und/oder eine thermische Entlastung der Halbbrücken ermöglicht. Außerdem kann durch eine Reihenschaltung von Wicklungsteilen eine betriebspunktabhängige Anpassung der Impedanz der elektrischen Maschine erreicht werden. Durch Reduzierung einer Stromwelligkeit können Verluste in der elektrischen Maschine gesenkt werden. Darüber hinaus kann die Drehmomentwelligkeit der elektrischen Maschine verringert und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht werden.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem

- nach einem ersten Erfindungsmerkmal die Halbbrücken des Maschinensystems geregelte Halbbrücken sind zum Einspeisen jeweils eines Phasenstroms bzw. einer Phasenspannung in die Statorwicklung,

- nach einem zweiten Erfindungsmerkmal jeder Wicklungsstrang eines der beiden Wicklungsteile mit einem der Wicklungsstränge des jeweils anderen Wicklungsteils ein Strangpaar bildet, wobei die Wicklungsstränge jedes Strangpaares um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind und

- nach einem dritten Erfindungsmerkmal die jeweilige Brückenverbindung mittels der jeweiligen Schalteinrichtung in beide Stromrichtungen durchgehend elektrisch leitend schaltbar ist.

Durch das zweite Erfindungsmerkmal erzeugen die Wicklungsstränge jedes Strangpaares bei gleichsinniger Bestromung im Stator Durchflutungen, deren Beiträge zur Grundwelle um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind. Nach dem dritten Erfindungsmerkmal kann die Brückenverbindung durch Öffnen der Schalteinrichtung elektrisch unterbrochen sein oder durch Schließen der Schalteinrichtung durchgehend elektrisch leitend sein.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Maschinensystems möglich.

Nach einer vorteilhaften Ausführung sind die Schaltelemente der jeweiligen Halbbrücke Halbleiterschalter, insbesondere IGBT-Transistoren oder MOSFET- Transistoren, wobei dem jeweiligen Halbleiterschalter insbesondere eine Freilaufdiode als parallel geschaltetes separates Bauelement zugeordnet ist oder wobei der jeweilige Halbleiterschalter die Funktion einer Freilaufdiode intrinsisch umfasst. Auf diese Weise kann der Strom der Halbbrücke durch Pulsweitenmodulation in Wechselwirkung mit einer Induktivitiät, insbesondere der Induktivität der Stators, geregelt werden.

Die Schalteinrichtung der jeweiligen Brückenverbindung kann vorteilhafterweise zumindest einen Halbleiterschalter umfassen, der insbesondere ein IGBT- Transistor, ein MOSFET-Transistor oder ein Thyristor ist. Nach einer vorteilhaften Ausführung kann die Schalteinrichtung gebildet sein durch eine Antireihenschaltung von zwei Transistoren, insbesondere IGBT-Transistoren oder MOSFET-Transistoren, oder durch eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren, insbesondere durch einen Triac.

Da die Schalteinrichtungen weniger oft schalten müssen als die Schaltelemente der Halbbrücken, können für die Schalteinrichtungen kostengünstige Halbleiter- Bauelemente genutzt werden, wobei höhere Schaltverluste toleriert werden können. Die Schalteinrichtungen der Brückenverbindungen werden bevorzugt eingeschaltet, wenn hohe Phasenströme fließen, um die Halbbrücken maximal zu entlasten. Daher muss die Schalteinrichtung eine hohe Stromtragfähigkeit aufweisen. Eine Fähigkeit der Schalteinrichtungen zum schnellen und effizienten Schalten ist nicht notwendig, da die Schalteinrichtungen nur in einem Reihenschaltungsbetrieb zyklisch geschaltet werden. Da der Reihenschaltungsbetrieb nur bei geringen bis mittleren Drehzahlen genutzt wird, ist die erforderliche Schaltfrequenz gering.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Wicklungsstränge jedes Strangpaares eine gleiche spannungshaltende Windungszahl (bezüglich der Grundwelle) und/oder einen gleichen Leiterquerschnitt und/oder eine gleiche Induktivität aufweisen. Auf diese Weise erfolgt im Betrieb eine gleichmäßige Verteilung der Leistung auf die Wicklungsteile, wodurch diese optimal ausgenutzt und wodurch hohe Wirkungsgrade erreicht werden.

Sehr vorteilhaft ist, wenn die beiden Gruppen von Halbbrücken und insbesondere die Brückenverbindungen inklusive der Schalteinrichtungen Teil eines Inverters sind. Auf diese Weise kann ein platzsparender Aufbau erreicht werden. Eine Anordnung der Komponenten auf einem Kühlkörper ermöglicht einen kostengünstigen hochintegrierten Aufbau, wobei durch geringe Abstände der Komponenten zueinander der Verschaltungsaufwand gering ist. Die Ansteuerschaltungen können in einem Steuergerät integriert werden. Die Wicklungsstränge des jeweiligen Wicklungsteils können vorteilhafterweise in einer Sternschaltung oder in einer Dreieckschaltung verschaltet sein, wobei über die jeweilige Brückenverbindung im Falle der Sternschaltung ein Strangpaar und im Falle der Dreieckschaltung zwei Strangpaare miteinander verbindbar sind.

Das Maschinensystem umfasst ein Steuergerät zum Ansteuern der Schaltelemente der Halbbrücken und zum Ansteuern der Schalteinrichtungen der Brückenverbindungen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Maschinensystems, wobei das Maschinensystem ein Phasensystem mit mehreren Phasen-Untersystemen umfasst, wobei das jeweilige Phasen-Untersystem gebildet ist durch eines der Halbbrücken-Paare, die Brückenverbindung des jeweiligen Halbbrücken-Paares und die beiden durch die jeweilige Brückenverbindung verbindbaren Wicklungsanschlüsse, wobei das Maschinensystem abhängig von einem oder mehreren System- Betriebsparametern, insbesondere Drehzahl, Drehmoment und/oder Wirkungsgrad der elektrischen Maschine und/oder ein Störungsparameter des Maschinensystems, in einem von mehreren Betriebszuständen betreibbar ist, insbesondere in einem Reihenschaltungsbetrieb, einem Separatbetrieb, einem Notbetrieb oder einem aktiven Kurzschlussbetrieb. Das Auswählen des Betriebszustandes kann beispielsweise mittels einer Lookup-Tabelle erfolgen. Der Reihenschaltungsbetrieb ist insbesondere für niedrige und mittlere Drehzahlen und der Separatbetrieb für hohe Drehzahlen geeignet.

Im Reihenschaltungsbetrieb ist vorgesehen, dass abhängig von zumindest einem Untersystem-Betriebsparameter abwechselnd jeweils eines der Phasen- Untersysteme in einem passiven Untersystem-Betrieb betrieben wird und die jeweils übrigen Phasen-Untersysteme in einem aktiven Untersystem-Betrieb betrieben werden.

Im passiven Untersystem-Betrieb sind die beiden Halbbrücken des jeweiligen Phasen-Untersystems deaktiviert unter Bildung eines passiven Phasen- Untersystems. Weiterhin ist die Brückenverbindung des passiven Phasen- Untersystems im passiven Untersystem-Betrieb durch eine entsprechende Schaltstellung durchgehend elektrisch leitend zum Ermöglichen eines elektrischen Stromflusses in beide Richtungen von einem der beiden Wicklungsanschlüsse über die Brückenverbindung des passiven Phasen- Untersystems zum jeweils anderen der beiden Wicklungsanschlüsse.

Im aktiven Untersystem-Betrieb werden die beiden Halbbrücken des jeweiligen Phasen-Untersystems unter Bildung eines aktiven Phasen-Untersystems angesteuert zum Bereitstellen von zwei geregelten Phasenströmen, die zueinander um 180 Grad phasenverschoben sind, insbesondere hinsichtlich Betrag und Form gleich, aber im Vorzeichen unterschiedlich sind. Weiterhin ist die Brückenverbindung des aktiven Phasen-Untersystems im aktiven Untersystem-Betrieb mittels der jeweiligen Schalteinrichtung durch eine entsprechende Schaltstellung elektrisch unterbrochen.

Besonders vorteilhaft ist wenn die Halbbrücken des jeweiligen aktiven Phasen- Untersystems bezüglich Pulsweitenmodulation gegenphasig angesteuert werden. Da die Halbbrücken im aktiven Zustand gegenphasige Phasenströme liefern, sind die von den Halbbrücken zu stellenden Einschalt-Dauern (Duty-Cycles) ebenfalls gegenphasig. Bei einer gegenphasigen Pulsweitenmodulation der Halbbrücken (180° Phasenverschiebung bezüglich PWM-Frequenz zwischen den Mitten der Einschalt-Perioden) eines Halbbrücken-Paares können somit annähernd gegenphasige Spannungsverläufe an den Wicklungsanschlüssen erreicht werden. Dadurch sind die durch die Koppelkapazitäten der Wicklungsteile fließenden Phasenströme (Verschiebungsströme) insbesondere zum Rotor ebenfalls gegenphasig und kompensieren sich. Die durch kapazitive Kopplung verursachten Spannungen des Rotors können verringert werden, wodurch Ableitströme, welche die Kugellager schädigen, vermieden werden können. Eventuell notwendige Rotor- Erdungsmaßnahmen oder isolierende Keramiklager können eingespart werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass im Ansprechen auf das Bereitstellen der geregelten Phasenströme in den aktiven Phasen- Untersystemen sich ein indirekt geregelter Phasenstrom in der Reihenschaltung der beiden Wicklungsteile selbstständig einstellt, der abhängig von seinem Vorzeichen in eine der beiden Richtungen über die Brückenverbindung des passiven Phasen-Untersystems fließt. Auf diese Weise steht jeweils der korrekte Phasenstrom am jeweiligen Wicklungsanschluss des jeweils inaktiven Phasen- Untersystems zum Einspeisen bereit.

Außerdem vorteilhaft ist, wenn im Reihenschaltungsbetrieb alle Phasen- Untersysteme in einer fortlaufenden Folge abhängig von dem Untersystem- Betriebsparameter nacheinander in den passiven Untersystem-Betrieb gewechselt werden.

Auf diese Weise wird die thermische Entlastung der Halbbrücken zeitlich gleichverteilt.

Sehr vorteilhaft ist, wenn der Untersystem-Betriebsparameter der Betrag der Phasenströme in den Phasen-Untersystemen ist, wobei jeweils dasjenige Phasen-Untersystem im passiven Untersystem-Betrieb betrieben wird, dessen Phasenströme betragsmäßig über einem Schwellwert liegen, insbesondere sich in einem Zeitintervall befinden von einem Zwölftel der elektrischen Periode der Phasenströme um einen Scheitelwert der Phasenströme herum, also von einem Zwölftel der elektrischen Periode vor dem Scheitelwert bis zu einem Zwölftel der elektrischen Periode nach dem Scheitelwert, jeweils in der positiven und der negativen Strom-Halbwelle.

Auf diese Weise wird der Phasenstrom in einem Zeitintervall mit maximalem Phasenstrom von der Brückenverbindung von einem Wicklungsteil in den anderen Wicklungsteil weitergeleitet, wodurch dieser durch die Halbbrücken des passiven Phasen-Untersystems nicht geregelt werden muss. Da die Verlustleistung in den Halbbrücken proportional zur Strom-Zeit-Fläche ist, in der sie Strom tragen, führt das Einstellen des passiven Untersystem-Betriebs in dem genannten Intervall zur größtmöglichen Entlastung der Halbbrücken.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn im Separatbetrieb die beiden Wicklungsteile separat gesteuert werden, indem alle Brückenverbindungen mittels der Schalteinrichtungen unterbrochen sind und indem die Halbbrücken der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen an den Wicklungsanschlüssen der beiden Wicklungsteile. Auf diese Weise kann die Versorgungsspannung im Separatbetrieb optimal genutzt werden zum Erzeugen hoher Leistungen bei hohen Drehzahlen mit einem verminderten Bedarf an Feldschwächstrom.

Zusätzlich vorteilhaft ist, wenn im Notbetrieb nur eines der beiden Wicklungsteile bestromt wird, indem nur die Halbbrücken der ersten Gruppe oder der zweiten Gruppe angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen nur an den Wicklungsanschlüssen einer der beiden Wicklungsteile. Im Notbetrieb sind alle Brückenverbindungen mittels der Schalteinrichtungen unterbrochen. Auf diese Weise kann beispielsweise bei einem Isolationsdefekt in einem der beiden Wicklungsteile der andere der beiden Wicklungsteile noch bestromt werden, um einen Limp-home-Betrieb zu ermöglichen.

Auch vorteilhaft ist, wenn im aktiven Kurzschlussbetrieb alle Halbbrücken aller Phasen-Untersysteme deaktiviert und alle Brückenverbindungen durchgehend elektrisch leitend sind zur Erzeugung eines aktiven Kurzschlusses der elektrischen Maschine durch die Brückenverbindungen.

Da alle Halbbrücken im Störungsbetrieb deaktiviert sind, haben die beiden Wicklungsteile keine elektrische Verbindung zu einer Spannungsversorgung. Die Wicklungsteile befinden sich dadurch in einem potentialfreien aktiven Kurzschluss (insbesondere wenn das System von einer Batterie gespeist wird), was auch bei einem Isolationsdefekt in einem der beiden Wicklungsteile einen sicheren Zustand herstellt.

Auch vorteilhaft ist, wenn im Reihenschaltungsbetrieb und im Separatbetrieb die Phasenströme an den Wicklungsanschlüssen des ersten Wicklungsteils einen ersten Drehstrom und die Phasenströme an den Wicklungsanschlüssen des zweiten Wicklungsteils einen zweiten Drehstrom bilden, wobei die beiden Drehströme zueinander eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen.

Dadurch, dass die beiden Wicklungsstränge jedes Strangpaares 180 Grad durch entsprechende Konfiguration zueinander phasenverschoben sind und dass die Phasenströme jedes einzelnen aktiven Phasen-Untersystems zueinander um 180 Grad phasenverschoben sind, insbesondere hinsichtlich Betrag und Form gleich, aber im Vorzeichen unterschiedlich sind, werden im Stator Durchflutungen erzeugt, welche sich zur Drehmomenterzeugung additiv überlagern. Der erste und der zweite Drehstrom wirken in der Maschine annähernd wie ein Drehstrom, dessen Amplitude der Summe der Amplituden der beiden Drehströme entspricht.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass die Verlustleistung in den Halbbrücken aufgrund der inaktiven Phasen der Halbbrücken im zeitlichen Mittel verringert wird, wodurch diese bei gleicher Kühlung eine geringere Temperatur aufweisen. Bei gleicher Halbleiter-Maximaltemperatur ist somit ein Erhöhen der Phasenströme im Maschinensystem möglich. Die mögliche Erhöhung der Phasenströme im Maschinensystem ermöglicht wiederum eine Verringerung der spannungshaltenden Windungszahl in der elektrischen Maschine bei gleichem Maximaldrehmoment, was bei höheren Drehzahlen die Notwendigkeit für Feldschwächsstrom verringert. Im Separatbetrieb können bei höheren Drehzahlen also Betriebspunkte gefahren werden, welche einen geringeren Anteil von Feldschwächstrom am Phasenstrom benötigen, wodurch ein größerer Anteil des Phasenstroms zur Drehmomenterzeugung beiträgt. Es ist somit eine deutliche Erhöhung der elektrischen Leistung und des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine bei hohen Drehzahlen möglich. Für die stromregelnden Halbbrücken der aktiven Phasen-Untersysteme erscheinen die Wicklungsteile auf Grund der leitenden Brückenverbindung im passiven Phasen-Untersystem als Last mit größerer Induktivität, größerem ohmschen Widerstand und größerer Polradspannung, wodurch die zu stellenden Duty-Cycle größer werden. Dadurch verringert sich die Stromwelligkeit bzw. der Strom-Klirrfaktor und die Drehmomentwelligkeit. Außerdem werden die Eisenverluste in der elektrischen Maschine reduziert.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig.1 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Maschinensystems, das eine elektrische Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst, in einem erfindungsgemäßen Reihenschaltungsbetrieb betrieben wird und sich in einem Zustand zum Zeitpunkt Y nach Fig.2A-Fig.2C befindet, Fig.1 A eine der Halbbrücken nach Fig.1 ,

Fig.2A für das Phasenuntersystem 21V nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem- Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs, Fig.2B für das Phasenuntersystem 21 U nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem- Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs, Fig.2C für das Phasenuntersystem 21W nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem- Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs, Fig.3 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen Separatbetrieb betrieben wird, Fig.4 für jedes Phasenuntersystem des im Separatbetrieb betriebenen Maschinensystems nach Fig.3 den Verlauf der Phasenströme an den Phasenanschlüssen der jeweiligen Halbbrücken, Fig.5 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen Notbetrieb betrieben wird, Fig.6 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen aktiven Kurzschlussbetrieb betrieben wird und Fig.7 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Maschinensystems, das eine elektrische Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst und in einem erfindungsgemäßen Reihenschaltungsbetrieb betrieben wird.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Maschinensystems, das eine elektrische Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst und in einem erfindungsgemäßen Reihenschaltungsbetrieb betrieben wird. Das erfindungsgemäße Maschinensystem 1 umfasst eine elektrische Maschine 2 und mehrere, in einer elektrischen Schaltung angeordnete Halbbrücken 3 zum Steuern der elektrischen Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 weist einen Stator mit einer Statorwicklung 4 auf. Jede Halbbrücke 3 des erfindungsgemäßen Maschinensystems 1 hat nach Fig.lA zwei Eingangsknoten 5 zum Anschluss an eine Gleichspannungsquelle 6, beispielsweise eine Batterie eines Fahrzeugs, jeweils zwei zwischen den Eingangsknoten 5 in Reihe geschaltete Schaltelemente 7 und zwischen den zwei Schaltelementen 7 jeweils einen Phasenanschluss 8.

Die Statorwicklung 4 umfasst zwei mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Wicklungsteile 4.1,4.2 mit derselben Phasenzahl, wobei jeder Wicklungsteil 4.1,4.2 eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungssträngen 14 und eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Wicklungsanschlüssen 10 aufweist. Die Wicklungsstränge 14 können jeweils parallele Unterstränge aufweisen.

Die Wicklungsanschlüsse 10 des einen Wicklungsteils 4.1 der Statorwicklung 4 sind mit Phasenanschlüssen 8 einer ersten Gruppe 13.1 von Halbbrücken 3 und die Wicklungsanschlüsse 10 des anderen Wicklungsteils 4.2 mit Phasenanschlüssen 8 einer zweiten Gruppe 13.2 von Halbbrücken 3 elektrisch verbunden. Die erste Gruppe 13.1 von Halbbrücken 3 umfasst eine der Phasenzahl des Wicklungsteils 4.1 entsprechende Anzahl von Halbbrücken 3. Ebenso umfasst die zweite Gruppe 13.2 von Halbbrücken 3 eine der Phasenzahl des Wicklungsteils 4.2 entsprechende Anzahl von Halbbrücken 3. Jeder Wicklungsanschluss 10 jedes Wicklungsteils 4.1 ,4.2 ist mit einer anderen Halbbrücke 3 der jeweiligen Gruppe 13.1 ,13.2 von Halbbrücken 3 elektrisch verbunden.

Die Phasenanschlüsse 8 der ersten Gruppe 13.1 von Halbbrücken 3 sind jeweils über eine Brückenverbindung 11 mit einem der Phasenanschlüsse 8 der zweiten Gruppe 13.2 von Halbbrücken 3 unter Bildung eines Halbbrücken-Paares 23 elektrisch verbindbar zur (unmittelbaren) elektrischen Verbindung von zwei Wicklungsanschlüssen 10 von unterschiedlichen Wicklungsteilen 4.1 ,4.2 der Statorwicklung 4. In jeder Brückenverbindung 11 ist eine schaltbare Schalteinrichtung 12 zum Unterbrechen der jeweiligen elektrischen Brückenverbindung 11 vorgesehen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Halbbrücken 3 des Maschinensystems 1 geregelte Halbbrücken sind zum Einspeisen jeweils eines Phasenstroms l _u , l _v ,lw bzw. einer Phasenspannung in die Statorwicklung 4.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jeder Wicklungsstrang 14 eines der beiden Wicklungsteile 4.1,4.2 mit einem der Wicklungsstränge 14 des jeweils anderen Wicklungsteils 4.1,4.2 ein Strangpaar 15 bildet, wobei die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 um 180 Grad zueinander phasenverschoben sind.

Zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die jeweilige Brückenverbindung 11 mittels der jeweiligen Schalteinrichtung 12 in beide Stromrichtungen durchgehend elektrisch leitend schaltbar ist. Die jeweilige Brückenverbindung 11 ist also für beide Stromrichtungen in der jeweiligen Brückenverbindung 11 in einen durchgehend elektrisch leitenden Zustand schaltbar. Abhängig von der jeweiligen Schaltstellung der Schalteinrichtung 12 ist die jeweilige Brückenverbindung 11 also entweder durchgehend elektrisch leitend oder elektrisch unterbrochen.

Die Schaltelemente 7 der jeweiligen Halbbrücke 3 sind elektronische Halbleiterschalter, insbesondere IGBT-Transistoren oder MOSFET-Transistoren. Dem jeweiligen Halbleiterschalter 7 kann eine Freilaufdiode 9 als parallel geschaltetes separates Bauelement zugeordnet sein. Alternativ kann der jeweilige Halbleiterschalter 7 die Funktion einer Freilaufdiode intrinsisch umfassen.

Die beiden Gruppen 13.1 ,13.2 von Halbbrücken 3 sind Teil eines Inverters 16. Nach dem Ausführungsbeispiel sind auch die Brückenverbindungen 11 (einschließlich der Schalteinrichtungen 12) beispielsweise Teil des Inverters 16.

Die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 sind derart ausgebildet, dass sie bei Bestromung eine Durchflutung in der Maschine erzeugen, deren Grundwellenanteile zueinander eine Phasenverschiebung von 180 Grad besitzen.

Beispielsweise können die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 um den Winkel eines Statorpols zueinander verschoben sein. Alternativ können die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 identisch wirkende Stränge sein, bei denen jedoch Wicklungsanfang- und -ende zueinander vertauscht sind. In den Wicklungssträngen 14 jedes Strangpaares 15 werden annähernd identische Spannungen induziert.

Die Schalteinrichtung 12 der jeweiligen Brückenverbindung 11 umfasst beispielsweise zumindest ein Halbleiter-Schaltelement, insbesondere einen IGBT-Transistor, einen MOSFET-Transistor oder einen Thyristor.

Die Wicklungsstränge 14 jedes Strangpaares 15 können eine gleiche spannungshaltende Windungszahl und/oder einen gleichen Leiterquerschnitt und/oder eine gleiche Induktivität aufweisen.

Die Wicklungsstränge 14 des jeweiligen Wicklungsteils 4.1 ,4.2 sind gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig.1 bis Fig.6 in einer Sternschaltung und gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig.7 in einer Dreieckschaltung verschaltet. Über die jeweilige Brückenverbindung 11 ist sind zwei bestimmte Wicklungsanschlüsse 10 aus unterschiedlichen Wicklungsteilen 4.1,4.2 elektrisch verbindbar, wobei die zwei bestimmten Wicklungsanschlüsse 10 ein Anschlusspaar von Wicklungsanschlüssen 10 bilden. Mittels des Anschlusspaares von Wicklungsanschlüssen 10 ist im Falle der Sternschaltung ein Strangpaar 15 und sind im Falle der Dreieckschaltung zwei Strangpaare 15 miteinander verbindbar.

Das Maschinensystem 1 weist zusätzlich ein Steuergerät 17 auf zum Ansteuern der Schaltelemente 7 der Halbbrücken 3 und zum Ansteuern der Schalteinrichtungen 12 der Brückenverbindungen 11.

Das Maschinensystem 1 umfasst ein Phasensystem 20 mit mehreren Phasen- Untersystemen 21, beispielsweise 21 _u , 21 _v ,21 _w . Die Anzahl der Phasen- Untersysteme 21 entspricht der Phasenzahl eines der Wicklungsteile 4.1 ,4.2 der Statorwicklung 4.

Jedes Phasen-Untersystem 21 ist gebildet durch eines der Halbbrücken-Paare 23, die Brückenverbindung 11 des jeweiligen Halbbrücken-Paares 23 und die beiden durch die jeweilige Brückenverbindung 11 (unmittelbar) verbindbaren Wicklungsanschlüsse 10 der beiden Wicklungsteile 4.1,4.2.

Das Maschinensystem 1 kann abhängig von einem oder mehreren System- Betriebsparametern, insbesondere Drehzahl, Drehmoment und/oder Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 2 und/oder ein Störungsparameter des Maschinensystems 1 , in einem von mehreren Betriebszuständen betrieben werden, insbesondere in einem Reihenschaltungsbetrieb, einem Separatbetrieb, einem Notbetrieb oder einem aktiven Kurzschlussbetrieb.

Nach Fig.1 befindet sich das Maschinensystem 1 im Reihenschaltungsbetrieb, wobei die Zustände des Maschinensystems 1 in Fig.1 beispielhaft für den Zeitpunkt Y nach Fig.2A bis Fig.2C dargestellt sind.

Im Reihenschaltungsbetrieb ist abhängig von zumindest einem Untersystem- Betriebsparameter abwechselnd jeweils eines der Phasen-Untersysteme 21 in einem passiven Untersystem-Betrieb „passive“ und die jeweils übrigen Phasen- Untersysteme in einem aktiven Untersystem-Betrieb „active“.

Im passiven Untersystem-Betrieb sind die beiden Halbbrücken 3 des jeweiligen Phasen-Untersystems 21 deaktiviert bzw. inaktiv geschaltet unter Bildung eines passiven Phasen-Untersystems 21 und ist die Brückenverbindung 11 des passiven Phasen-Untersystems 21 durch eine entsprechende Schaltstellung der Schalteinrichtung 12 durchgehend elektrisch leitend zum Ermöglichen eines elektrischen Stromflusses in beide Richtungen von einem der beiden Wicklungsanschlüsse 10 über die Brückenverbindung 11 des passiven Phasen- Untersystems 21 zum jeweils anderen der beiden Wicklungsanschlüsse 10.

Im aktiven Untersystem-Betrieb werden die beiden Halbbrücken 3 des jeweiligen Phasen-Untersystems 21 unter Bildung eines aktiven Phasen-Untersystems 21 angesteuert zum Bereitstellen von zwei geregelten Phasenströmen l _u ,lv,lw, die zueinander um 180 Grad phasenverschoben sind, insbesondere hinsichtlich Betrag und Form gleich, aber im Vorzeichen unterschiedlich sind. Die Brückenverbindung 11 des aktiven Phasen-Untersystems 21 ist bzw. wird mittels der jeweiligen Schalteinrichtung 12 durch eine entsprechende Schaltstellung elektrisch unterbrochen.

Fig.2A zeigt für das Phasenuntersystem 21 nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem-Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs über dem elektrischen Phasenwinkel.

Insbesondere zeigt

Fig.2Aa den Verlauf der Phasenströme l _v an den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasenuntersystems 21V,

Fig.2Ab den Verlauf der Phasenströme l _v an den Phasenanschlüssen 8 der beiden Halbbrücken 3 des Phasenuntersystems 21V,

Fig.2Ac den Verlauf des Phasenstroms Ibr in der Brückenverbindung 11 des Phasenuntersystems 21V und

Fig.2Ad den Wechsel des Phasenuntersystems 21V zwischen dem aktiven Untersystem-Betrieb „active“ und dem passiven Untersystem-Betrieb „passive“ über dem elektrischen Phasenwinkel.

Fig.2B zeigt für das Phasenuntersystem 21 U nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem-Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs über dem elektrischen Phasenwinkel.

Insbesondere zeigt

Fig.2Ba den Verlauf der Phasenströme l _u an den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasenuntersystems 21 U,

Fig.2Bb den Verlauf der Phasenströme l _u an den Phasenanschlüssen 8 der beiden Halbbrücken 3 des Phasenuntersystems 21 U,

Fig.2Bc den Verlauf des Phasenstroms Ibr in der Brückenverbindung 11 des Phasenuntersystems 21 U und

Fig.2Bd den Wechsel des Phasenuntersystems 21 U zwischen dem aktiven Untersystem-Betrieb „active“ und dem passiven Untersystem-Betrieb „passive“ über dem elektrischen Phasenwinkel. Fig.20 zeigt für das Phasenuntersystem 21W nach Fig.1 den Verlauf der Phasenströme im aktiven und passiven Untersystem-Betrieb des Reihenschaltungsbetriebs über dem elektrischen Phasenwinkel.

Insbesondere zeigt

Fig.2Ca den Verlauf der Phasenströme l _w an den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasenuntersystems 21W,

Fig.2Cb den Verlauf der der Phasenströme l _w an den Phasenanschlüssen 8 der beiden Halbbrücken 3 des Phasenuntersystems 21W,

Fig.2Cc den Verlauf des Phasenstroms Ibr in der Brückenverbindung 11 des Phasenuntersystems 21W und

Fig.2Cd den Wechsel des Phasenuntersystems 21 W zwischen dem aktiven Untersystem-Betrieb „active“ und dem passiven Untersystem-Betrieb „passive“ über dem elektrischen Phasenwinkel.

Aus den Fig.2Aa bis Fig.2Cd ist ersichtlich, dass im Reihenschaltungsbetrieb abhängig von zumindest einem Untersystem-Betriebsparameter abwechselnd jeweils eines der Phasen-Untersysteme 21 in einem passiven Untersystem- Betrieb „passive“ betrieben wird und die jeweils übrigen Phasen-Untersysteme in einem aktiven Untersystem-Betrieb „active“ betrieben werden.

Der Verlauf der Phasenströme l _u , k, Iw an den Phasenanschlüssen 8 der Halbbrücken 3 zeigt in den Zeitintervallen dt gemäß den Fig.2Ab, Fig.2Bb und Fig.2Cb sprunghafte Änderungen auf den Wert Null.

Im Reihenschaltungsbetrieb und im Separatbetrieb bilden die Phasenströme lu.lv, Iw an den Wicklungsanschlüssen 10 des ersten Wicklungsteils 4.1 zu jedem Zeitpunkt oder in jedem Zustand einen ersten Drehstrom. Weiterhin bilden die Phasenströme an den Wicklungsanschlüssen 10 des zweiten Wicklungsteils 4.2 zu jedem Zeitpunkt einen zweiten Drehstrom, wobei die beiden Drehströme an den beiden Wicklungsteilen 4.1 ,4.2 zueinander eine Phasenverschiebung von 180° aufweisen. Die Phasenströme l _u ,k, Iw jedes der beiden Drehströme sind jeweils 120 Grad zueinander phasenverschoben und beispielsweise wellenförmig oder sinusförmig.

Im Ansprechen auf das Bereitstellen von geregelten Phasenströme l _u , k, Iw gemäß den Fig.2Ab, Fig.2Bb und Fig.2Cb in den aktiven Phasen-Untersystemen 21 stellt sich der jeweils übrige (nicht mittels von Halbbrücken 3 direkt geregelte) Phasenstrom als indirekt geregelter Phasenstrom l _u , l _v , Iw in der Reihenschaltung der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2 selbstständig ein, wenn die Brückenverbindung

11 des passiven Phasen-Untersystems 21 durch eine entsprechende Schaltstellung der Schalteinrichtung 12 durchgehend elektrisch leitend ist, wodurch ein Phasenstrom Ibr abhängig von seinem Vorzeichen in eine der beiden Richtungen über die Brückenverbindung 11 des passiven Phasen-Untersystems 21 fließt.

Zum Zeitpunkt Y nach Fig.2A bis Fig.2C des Maschinensystems 1 sind beispielsweise die Phasen-Untersysteme 21 _v ,21 _w im aktiven Untersystem-Betrieb und das Phasen-Untersystem 21 _u im passiven Untersystem-Betrieb. In den aktiven Phasen-Untersystemen 21 _v ,21 _w werden also die Halbbrücken 3 aktiv betrieben, so dass Phasenströme l _v , l _w an den Phasenanschlüssen 8 der Halbbrücken 3 bereitgestellt werden. Im passiven Phasen-Untersystem 21 _u sind die Halbbrücken 3 inaktiv, so dass an den Phasenanschlüssen 8 der Halbbrücken 3 keine Phasenströme l _u bereitgestellt werden. Im Ansprechen auf das Bereitstellen der geregelten Phasenströme l _v ,l _w in den beiden aktiven Phasen-Untersystemen 21 _v ,21 _w stellt sich jeweils ein indirekt geregelter Phasenstrom l _u in der Reihenschaltung der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2 selbstständig ein, da die Brückenverbindung 11 des passiven Phasen- Untersystems 21 durch eine entsprechende Schaltstellung der Schalteinrichtung

12 durchgehend elektrisch leitend ist, wodurch ein Phasenstrom Ibr abhängig von seinem Vorzeichen in eine der beiden Richtungen über die Brückenverbindung

11 des passiven Phasen-Untersystems 21 _u fließt und somit an den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasen-Untersystems 21 _u bereitsteht. Die Phasenströme l _u an den Wicklungsanschlüssen 10 des Phasenuntersystems 21 U haben daher trotz des zeitweisen Deaktivierens der Halbbrücken 3 im passiven Untersystem-Betrieb einen wellenförmigen, beispielsweise sinusförmigen, Verlauf.

Das selbständige Einstellen der Phasenströme im jeweils passiven Phasen- Untersystem 21 ergibt sich dadurch, dass für jeden Wicklungsteil 4.1 ,4.2 jeweils die erste Kirchhoffsche Regel (Summe aller Phasenströme gleich Null) gilt. Somit ist einer der Phasenströme der Wicklungsteile 4.1 ,4.2 durch die jeweils übrigen Phasenströme bestimmt, so dass einer der Phasenströme nicht aktiv geregelt werden muss. Im Reihenschaltungsbetrieb werden alle Phasen-Untersysteme 21 in einer fortlaufenden Folge abhängig von dem Untersystem-Betriebsparameter nacheinander in den passiven Untersystem-Betrieb gewechselt.

Der Untersystem-Betriebsparameter kann beispielsweise der Betrag der Phasenströme l _u ,k,lw in den Phasen-Untersystemen 21 sein, wobei jeweils dasjenige Phasen-Untersystem 21 im passiven Untersystem-Betrieb betrieben wird, dessen Phasenströme l _u ,k, Iw betragsmäßig über einem Schwellwert X liegen, insbesondere sich in einem Zeitintervall dt befinden von einem Zwölftel der elektrischen Periode der Phasenströme l _u , k, Iw vor einem Scheitelwert S bis einem Zwölftel der elektrischen Periode nach dem Scheitelwert S der Phasenströme l _u , k, Iw.

Pro elektrischer Periode jedes Phasenstroms l _u ,k,lw ist die Brückenverbindung 11 des zugehörigen Phasen-Untersystems 21 in zwei Zeitintervallen dt durchgehend elektrisch leitend, wofür zwei Einschalt- und zwei Ausschaltvorgänge an der jeweiligen Schalteinrichtung 12 vorgesehen sind, was durch eine geeignete Ansteuerung erreicht werden kann.

Fig.3 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen Separatbetrieb betrieben wird.

Im Separatbetrieb werden die beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2 separat gesteuert, indem alle Brückenverbindungen 11 des Maschinensystems mittels der Schalteinrichtungen 12 unterbrochen sind bzw. werden und indem alle Halbbrücken 3 der ersten und zweiten Gruppe 13.1 ,13.2 aktiv sind, also angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen l _u ,k,lw an allen Wicklungsanschlüssen 10 der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2.

Fig.4 zeigt den Verlauf der Phasenströme aller Phasenuntersysteme des im Separatbetrieb betriebenen Maschinensystems nach Fig.3 über dem elektrischen Phasenwinkel.

Fig.5 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen Notbetrieb betrieben wird. Im Notbetrieb wird nur eines der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2 bestromt, indem nur die Halbbrücken 3 der ersten oder der zweiten Gruppe 13.1,13.2 angesteuert werden zum Bereitstellen von geregelten Phasenströmen l _u , k, L an den Wicklungsanschlüssen 10 einer der beiden Wicklungsteile 4.1 ,4.2. Dabei sind alle Brückenverbindungen 11 mittels der Schalteinrichtungen 12 durch entsprechende Schaltstellungen unterbrochen. Im Notbetrieb sind die Phasenuntersysteme 21 in einem Zustand „semi-active“, bei dem eine Halbbrücke 3 des Halbbrücken-Paars 23 aktiv angesteuert wird Bereitstellen von geregeltem Phasenstrom l _u , l _v ,lw und die andere Halbbrücke 3 passiv ist.

Fig.6 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Maschinensystems nach Fig.1 , das in einem erfindungsgemäßen aktiven Kurzschlussbetrieb betrieben wird.

Im aktiven Kurzschlussbetrieb sind alle Halbbrücken 3 aller Phasen- Untersysteme 21 passiv bzw. werden deaktiviert. Außerdem sind alle Brückenverbindungen 11 des Maschinensystems 1 mittels der Schalteinrichtungen 12 durch entsprechende Schaltstellungen durchgehend elektrisch leitend zur Erzeugung eines aktiven Kurzschlusses der elektrischen Maschine 2 durch die Brückenverbindungen 11.