AT509794B1 - Verfahren zum sicheren betrieb eines umrichters für rotierende elektrische maschinen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Umrichters (4) für rotierende elektrische Maschinen (6), wobei der Umrichter (4) zwischen einer Energiespeichereinrichtung (5) und einer rotierenden elektrischen Maschine (6) angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a)Übertragen eines Soll-Moments für die rotierende elektrische Maschine (6) an den Umrichter (4); b) Ermitteln des an der Welle der rotierenden elektrischen Maschine (6) wirkenden Ist-Moments; c) Vergleichen des Ist-Moments mit dem Soll-Moment; d) Aktivieren eines sicheren Zustands, wenn die Abweichung zwischen Ist-Moment und Soll-Moment außerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegt, odere) Fortsetzen bei Schritt a), wenn die Werte für Ist-Moment und Soll-Moment innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegen.

Description

österreichisches Patentamt AT509 794B1 2012-06-15

Beschreibung

VERFAHREN ZUM SICHEREN BETRIEB EINES UMRICHTERS FÜR ROTIERENDE ELEKTRISCHE MASCHINEN

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sicheren Betrieb eines Umrichters für rotierende elektrische Maschinen, wobei der Umrichter zwischen einer Energiespeichereinrichtung und einer rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist. Unter einer Energiespeichereinrichtung wird ein Energiewandler wie eine Batterie verstanden, der sowohl Energie speichern, also aufnehmen, als auch Energie abgeben kann.

[0002] Mit dem Sammelbegriff „rotierende elektrische Maschinen" werden im Folgenden solche elektrische Maschinen bezeichnet, bei denen die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt mit Rotationsbewegungen einhergeht. Beispiele für solche rotierende elektrische Maschinen sind Elektromotoren und elektrische Generatoren. Je nach Richtung der übertragenen Leistung unterscheidet man dabei zwischen Motorbetrieb, bei dem elektrische Leistung in mechanische Leistung umgewandelt wird, und Generatorbetrieb mit gegensinnigem Leistungsfluss.

[0003] Der Einsatz von rotierenden elektrischen Maschinen ist heute bereits allgegenwärtig. Insbesondere im Bereich von elektrischen Antrieben werden rotierende elektrische Maschinen in Kombination mit ansteuernden Leistungselektroniklösungen sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb verwendet. Der Einsatz von leistungsstarken elektrischen Antrieben z.B. im Bereich von straßen-zugelassenen Elektro-Fahrzeugen macht diese elektrischen Antriebe zu sicherheitsrelevanten Systemen.

[0004] Insbesondere die Einführung von Elektro- und Hybridfahrzeugen bringt neue Sicherheitsanforderungen mit sich: Beispielsweise ist es durchaus denkbar, dass der Elektromotor beim Anfahren in die falsche Drehrichtung dreht - ein Fehlerfall, der bei einem Verbrennungsmotor konstruktionsbedingt ausgeschlossen werden kann. Auch werden Beschleunigung und Verzögerung des Fahrzeugs bei Elektrofahrzeugen durch die elektronische Ansteuerung des Elektromotors zumeist ohne Kupplung bewirkt; damit entfällt die Möglichkeit des Fahrers, das Motormoment auf direktem Weg mechanisch zu trennen. Schließlich ist auch das Argument der Betriebsbewährtheit meist nicht anwendbar, da es sich entweder um neue Systeme handelt oder bewährte Systeme unter neuen Rahmenbedingungen zum Einsatz kommen.

[0005] Fig. 1 zeigt einen Elektromotor gemäß dem Stand der Technik anhand der Darstellung einer Kette von Komponenten in einem Elektro-Antriebsstrang. Nach der Ermittlung des Fahrerwunsches über eine Mensch-Maschine Schnittstelle (z.B. Gaspedal, Bremse, ...) werden die daraus resultierenden Soll-Werte der zu ändernden Parameter in der Vehicle-Control Unit (VCU) bestimmt und an den Umrichter übertragen. Dieser Umrichter regelt den Leistungsfluss von der Batterie zum Motor (Antriebsfall) und in der Gegenrichtung (Rekuperation).

[0006] Derartige Lösungen zeigen beispielsweise die US 5,631,796, JP 2004147420 A und JP 2005033901 A.

[0007] Allerdings ist es mit der vorliegenden Lösung nicht möglich, Fehlerfälle wie die oben beschriebenen frühzeitig zu erkennen und darauf zu reagieren, beispielsweise über geeignete Abschaltpfade.

[0008] Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, den eigensicheren Betrieb von Umrichtern im Zusammenhang mit rotierenden elektrischen Maschinen zu ermöglichen.

[0009] Diese Aufgabe wird mit dem eingangs erwähnten Verfahren erfindungsgemäß durch Ausführen der folgenden Schritte gelöst: [0010] a) Übertragen eines Soll-Moments für die rotierende elektrische Maschine an den Umrichter; [0011] b) Ermitteln des an der Welle der rotierenden elektrischen Maschine wirkenden Ist- 1 /11 österreichisches Patentamt AT509 794B1 2012-06-15

Moments; [0012] c) Vergleichen des Ist-Moments mit dem Soll-Moment; [0013] d) Aktivieren eines sicheren Zustands, wenn die Abweichung zwischen Ist-Moment und Soll-Moment außerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegt, oder [0014] e) Fortsetzen bei Schritt a), wenn die Werte für Ist-Moment und Soll-Moment innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegen.

[0015] Dank der Erfindung ist es möglich, rotierende elektrische Maschinen - bzw. zugehörige elektrische Antriebssysteme - durch Einführung eines universell einsetzbaren Verfahrens zur Überwachung und gegebenenfalls Abschaltung sicher zu machen. Unter einem „sicheren Zustand" ist ein Zustand zu verstehen, bei dem kein aktives Moment an der Welle der rotierenden elektrischen Maschine anliegt. Durch Messung und Vergleich der Momente wird eine Entscheidung zur Aktivierung oder Deaktivierung von Abschaltmechanismen getroffen.

[0016] In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nach Einnehmen des sicheren Zustands in Schritt d) das Verfahren bei Schritt a) fortgesetzt werden, wobei der sichere Zustand wieder deaktiviert wird, wenn über eine festgelegte Anzahl von Zyklen die Abweichung zwischen Ist-Moment und Soll-Moment innerhalb eines festgelegten Toleranzbereiches liegt. Durch eine solche „Heilungs-Option" kann ausgeschlossen werden, dass kurzzeitige Störungen eine dauerhafte Abschaltung der rotierenden elektrischen Maschine bewirken.

[0017] Günstigerweise ist der Umrichter mit einer Sicherheitseinheit verbunden und in Schritt a) wird das Soll-Moment an die Sicherheitseinheit übermittelt und die Schritte b), c) und d) werden in der Sicherheitseinheit durchgeführt.

[0018] Zur Erweiterung des Sicherheitskonzepts werden in Schritt a) neben dem Soll-Moment noch weitere Plausibilisierungsgrößen an die Sicherheitseinheit übertragen. In der Sicherheitseinheit findet dann auch eine Auswertung dieser Plausibilisierungsgrößen statt. Bei der Anwendung des Verfahrens in einem Elektrofahrzeug kann es sich bei diesen Plausibilisierungsgrößen um Eingangsgrößen wie Stellung des Gas- und/oder Bremspedals, Fahrtrichtungswahlhebels, Start-Stopp-Knopf, aber auch um Signale einer Antiblockier- oder Antischleudervorrichtung handeln. Damit kann das sichere Verhalten neben Unterschieden in Ist- und Soll-Moment auch auf andere Situationen erweitert werden; beispielsweise kann beim gleichzeitigen Betätigen von Gas- und Bremspedal der sichere Zustand eingenommen werden.

[0019] Günstigerweise erfolgt das Ermitteln des Ist-Moments in Schritt b) durch Messen der Ströme und Spannungen zwischen dem Umrichter und der rotierenden elektrischen Maschine. Dabei können die Ströme und Spannungen zwischen Umrichter und Energiespeichereinrichtung und/oder zwischen Umrichter und rotierender elektrischer Maschine gemessen werden.

[0020] In einer Variante der Erfindung umfasst Schritt b) des Verfahrens folgende Unterschritte: [0021] b1) Ermitteln der Leistung an der rotierenden elektrischen Maschine aus den gemessenen Strömen und Spannungen; [0022] b2) Ermitteln der Drehzahl der Welle der rotierenden elektrischen Maschine über die zeitliche Änderung des Phasenwinkels, wobei der Phasenwinkel aus dem Verlauf der Phasenspannungen und/oder der Phasenströme bestimmt wird; [0023] b3) Ermitteln des Ist-Moments als Quotient aus der Leistung gemäß Schritt b1) und der Drehzahl gemäß Schritt b2).

[0024] Durch die Ausnutzung der Strom- und/oder Spannungswerte kann die Ermittlung des Ist-Moments auf einfache und ressourcenschonende Weise durchgeführt werden; das Verfahren benötigt keine zusätzlichen Sensoren.

[0025] Alternativ kann in b3) das Ist-Moment aus den Phasenströmen ermittelt werden, wenn der Wert für die Drehzahl in b2) einen festgelegten Wert unterschreitet. 2/11 österreichisches Patentamt AT509 794B1 2012-06-15 [0026] In Schritt b2) wird zu einem ersten Zeitpunkt t1 ein Maximalwert als Betragsmaximum der gemessenen Phasenspannungen und Phasenströme bestimmt, die Messwerte der Phasenspannungen oder Phasenströme zum Zeitpunkt t1 werden mittels Division durch den Maximalwert normiert, anhand des Wertes der Phasenspannung oder des Phasenstroms, nach der oder dem normiert wurde, wird ein Winkelbereich für den Phasenwinkel ermittelt und unter Verwendung der normierten Werte der verbleibenden Phasenströme und Phasenspannungen wird der Phasenwinkel ermittelt; die genannten Handlungen werden zu einem zweiten Zeitpunkt t2 wiederholt und aus den Werten für den Phasenwinkel zu den Zeitpunkten t1 und t2 wird die Drehzahl der Welle der rotierenden elektrischen Maschine bestimmt. Durch diese Vorgangsweise kann das Verfahren besonders robust und ressourcensparend durchgeführt werden; auch die Sicherheit des Verfahrens wird erhöht, da das Verfahren in üblichen Auswerteeinheiten sehr viel rascher durchgeführt werden kann und so eine frühere Erkennung von Fehlfunktionen möglich ist.

[0027] Günstigerweise erfolgt das Aktivieren des sicheren Zustands in Schritt d) durch Unterbrechen der Verbindung zur Übertragung des elektrischen Leistungsflusses zwischen der Energiespeichereinrichtung und der rotierenden elektrischen Maschine über zumindest einen Abschaltpfad. In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens befindet sich der Abschaltpfad zwischen Umrichter und Energiespeichereinrichtung. In einer weiteren Variante befindet sich der Abschaltpfad im Umrichter. In einer weiteren Variante befindet sich ein erster Abschaltpfad zwischen Umrichter und Energiespeichereinrichtung und ein zweiter Abschaltpfad im Umrichter.

[0028] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. In dieser zeigt schematisch: [0029] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstranges gemäß dem Stand der Technik, [0030] Fig. 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebsstranges zur

Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, [0031] Fig. 3 eine schematische Detaildarstellung eines Umrichters mit einer Si cherheitseinheit, und [0032] Fig. 4 bis Fig. 7 Diagrammdarstellungen zur Illustrierung der Ermittlung der Drehzahl der Welle einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.

[0033] In der Zeichnung wird das Verfahren anhand einer Anwendung in einem elektrischen Antriebsstrang für ein Fahrzeug mit Elektroantrieb dargestellt. Das Verfahren ist allerdings auch für andere Anwendungen rotierender elektrischer Maschinen geeignet.

[0034] Der in Fig. 1 dargestellte elektrische Antriebsstrang 1 wurde eingangs bereits erwähnt. Er umfasst eine Mensch-Maschine Schnittstelle 2 (in weiterer Folge nur als Schnittstelle bezeichnet) zur Erkennung des Fahrenwunsches. Beispielsweise handelt es sich bei der Schnittstelle 2 um ein Gas-, oder Bremspedal oder einen Fahrtrichtungswahlhebel.

[0035] Die Fahrzeugsteuerung 3 (in weiterer Folge mit VCU - Vehicle Control Unit - bezeichnet) ermittelt den Fahrerwunsch und überträgt das Soll-Moment für Antrieb/Bremse an den Umrichter 4.

[0036] Der Umrichter 4 erzeugt aus der Gleichspannung einer Energiespeichereinrichtung wie einer Hochvolt-Batterie 5 eine für den Betrieb eines Drehstrommotors 6 geeignete Wechselspannung (Motorbetrieb), bzw. umgekehrt (Generatorbetrieb). Nach Übermittlung des Fahrerwunsches regelt der Umrichter 4 die Ströme so, dass das gewünschte Soll-Moment an der Motorwelle des Drehstrommotors 6 anliegt. Dabei ist es nicht möglich, eine Fehlersituation so rechtzeitig erkennen zu können, dass in den Antriebsstrang eingegriffen werden kann. Eine Fehlersituation wäre beispielsweise das Drehen des Elektromotors in die falsche Drehrichtung oder eine fehlerhafte Beschleunigung oder Verzögerung des Fahrzeugs - da ein Elektrofahrzeug keine Kupplung benötigt, entfällt die Möglichkeit für den Fahrer, das Motormoment auf 3/11 österreichisches Patentamt AT509 794B1 2012-06-15 direktem Weg mechanisch zu trennen.

[0037] Fig. 2 zeigt einen Antriebsstrang 1 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird der Fahrerwunsch in der Schnittstelle 2 redundant ermittelt - beispielsweise durch zwei Potentiometer am Gaspedal. Wie zuvor wird das Soll-Moment in der VCU 3 ermittelt -bevorzugt auf sichere Weise, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Danach wird das Soll-Moment über eine abgesicherte Datenkommunikation an den Umrichter 4 übertragen. Unter abgesicherter Kommunikation ist hier ein Übertragungsverfahren zu verstehen, bei dem Übertragungsfehler erkannt werden. Das beim Umrichter 4 ankommende Soll-Moment ist also auf Richtigkeit geprüft.

[0038] Neben dem Soll-Moment können auch weitere Plausibilisierungsgrößen übermittelt werden, beispielsweise Gas- oder Bremspedalstellung und ähnliches.

[0039] Das tatsächliche an der Motorwelle des Drehstrommotors 6 wirkende Ist-Moment wird mit Hilfe einer mit dem Umrichter 4 verbundenen Sicherheitseinheit 7 ermittelt und überwacht.

[0040] Die Sicherheitseinheit 7 kann dabei entweder in den Umrichter 4 integriert oder als separater Bauteil mit dem Umrichter 4 verbunden sein.

[0041] Bei einer unzulässigen Abweichung zwischen Soll- und Ist-Moment, wenn also die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Moment außerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegt, wird durch die Sicherheitseinheit 7 ein sicherer Zustand aktiviert. Der sichere Zustand kann auch bei bestimmten Werten der Plausibilisierungsgrößen aktiviert werden - beispielsweise, wenn Gas- und Bremspedal gleichzeitig betätigt werden.

[0042] Unter einem sicheren Zustand ist ein Zustand zu verstehen, bei dem kein aktives Moment an der Welle des Elektromotors anliegt. Das Einnehmen des sicheren Zustands kann über einen oder mehrere Abschaltpfade 8, 8' erfolgen. Ein erster Abschaltpfad 8 unterbricht dabei die Verbindung zur Übertragung des elektrischen Leistungsflusses zwischen der Hochvolt-Batterie 5 und dem Umrichter 4; ein zweiter Abschaltpfad unterbricht im Umrichter 4 die Verbindung zur Verstärkerendstufe. Ein weiterer Abschaltpfad, der zur Aktivierung einer Warneinrichtung führt und zu einer Reaktion des Fahrers auffordert, wäre ebenfalls möglich, ist aber in Fig. 2 nicht dargestellt.

[0043] Durch die Kombination aus dem Umrichter 4 mit der Sicherheitseinheit 7 (egal ob integriert oder separat) ergibt sich ein eigensicherer Umrichter 4, der durch das erfindungsgemäße Verfahren sicher betrieben werden kann.

[0044] Dabei kann die Sicherheitseinheit 7 verschiedene Sicherheitsziele überwachen, z.B. die Reduzierung der elektrischen Leistung am Drehstrommotor 6 unter eine bestimmte Schwelle, wenn für einen bestimmten Zeitraum von der VCU 3 ein Soll-Moment von 0 Nm angefordert wird; das Vorliegen der korrekten Richtung des Ist-Moments, wenn Soll-Moment und Drehzahl der Welle des Drehstrommotors 6 über einer bestimmten Schwelle liegen; Drehimpulsabweichung innerhalb bestimmter Grenzen über einen definierten Zeitraum.

[0045] Das erfindungsgemäße Verfahren zum sicheren Betrieb eines Umrichters 4 umfasst mehrere Varianten. In einer ersten Variante ist das Aktivieren des sicheren Zustands nicht „heilbar" -es erfolgt also nach Aktivieren des sicheren Zustands kein weiterer Vergleich zwischen Soll-und Ist-Moment, sondern der sichere Zustand bleibt bestehen. In einer zweiten Variante läuft der Momentenvergleich weiter; wenn sich über einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise eine Anzahl von Überwachungszyklen, Soll- und Ist-Moment innerhalb des festgelegten Toleranzbereichs befinden, wird der sichere Zustand wieder deaktiviert und ein Moment an der Welle des Drehstrommotors 6 zugelassen.

[0046] Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst also die folgenden Schritte: [0047] a) Übertragen des Soll-Moments für dem Drehstrommotor 6 an den Umrichter 4 bzw. die Sicherheitseinheit 7; [0048] b) Ermitteln des an der Welle des Drehstrommotors 6 wirkenden Ist-Moments durch die 4/11 österreichisches Patentamt AT509 794B1 2012-06-15

Sicherheitseinheit 7; [0049] c) Vergleichen des Ist-Moments mit dem Soll-Moment; [0050] d) Aktivieren des sicheren Zustands, wenn die Abweichung zwischen Ist-Moment und Soll-Moment außerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegt, oder [0051] e) Fortsetzen bei Schritt a), wenn die Werte für Ist-Moment und Soll-Moment innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegen.

[0052] Die Ermittlung des Ist-Moments in Schritt b) wird in weiterer Folge mittels Fig. 3 eingehender behandelt: Darin ist eine Sicherheitseinheit 7, die mit einem Umrichter 4 gekoppelt ist, genauer dargestellt. Die Ermittlung des Ist-Moments erfolgt in der Sicherheitseinheit 7 über Messung der Ströme und Spannungen zwischen Umrichter 4 und Drehstrommotor 6 bzw. zwischen Umrichter 4 und Hochvolt-Batterie 5.

[0053] Die Sicherheitseinheit 7 weist Messeinheiten 9, 9' zur Messung von Strom- und Spannungswerten auf. Eine erste Messeinheit 9 dient zur Messung der Strom- und Spannungswerte zwischen Umrichter 4 und Drehstrommotor 6. Eine zweite Messeinheit 9' misst Strom- und Spannungswerte zwischen der Hochvolt-Batterie 5 und dem Umrichter 4.

[0054] Die Messeinheiten 9, 9' messen dabei die Phasenspannungen U1, U2, U3 und Phasenströme 11, I2, I3 an den AC-Motoranschlüssen (Messeinheit 9) sowie Spannung und Strom von der Hochvolt-Batterie 5 an den DC-Batterieanschlüssen (Messeinheit 9').

[0055] Unter Phasenspannungen werden hier die Spannungen zwischen den Leitern verstanden (siehe Fig. 3, Messeinheit 9). Es ist auch möglich, für die Auswertungen die Strangspannungen zu verwenden. Unter Strangspannungen werden bei einer Sternschaltung, wie sie im vorliegenden Fall zum Einsatz kommen kann, die Spannungen zwischen dem Sternpunkt und dem jeweiligen Leiter verstanden. Bei einer Dreiecksschaltung entsprechen die Strangspannungen den Phasenspannungen. Für die weiteren Ausführungen werden die Phasenspannungen verwendet.

[0056] Die Auswertung der Messwerte, bzw. die Berechnung abgeleiteter Größen, erfolgt in einer Verarbeitungseinheit 10 in der Sicherheitseinheit 7, wobei in dieser Verarbeitungseinheit 10 auch die Entscheidung über das Aktivieren des sicheren Zustands über die Abschaltpfade 8, 8' getroffen wird. Das Betätigen der Abschaltpfade 8, 8' erfolgt über eine Schalteinheit 11, die beispielsweise Teil der Verarbeitungseinheit 10 ist, aber auch separat ausgeführt sein kann.

[0057] In der Verarbeitungseinheit 10 erfolgt beispielsweise die Plausibilisierung der erfolgten Messungen, z.B. mittels Maschenregel (die Summe der AC-Phasenspannungen muss Null sein) und mittels Knotenregel (die Summe der AC-Phasenströme muss Null sein).

[0058] Weiters erfolgt in der Verarbeitungseinheit 10 die Berechnung abgeleiteter Größen. Die elektrische Leistung lässt sich aus den Strömen und Spannungen (sowohl AC- als auch DC-seitig) berechnen. Dabei kann bei Kenntnis der Verlustleistung auch die mechanische Leistung an der Motorwelle ermittelt werden. Bei Motorbetrieb ist die mechanische Leistung geringer als die elektrische Leistung, während im Generatorbetrieb üblicherweise der umgekehrte Fall vorliegt.

[0059] Um in der Verarbeitungseinheit 10 das Ist-Moment ermitteln zu können, bedarf es zuerst der Ermittlung der elektrischen Drehzahl, die proportional zur mechanischen Drehzahl der Motorwelle ist. Die Drehzahl wird über die zeitliche Änderung des Phasenwinkels ermittelt, der aus dem Verlauf der Phasenspannungen und/oder Phasenströme bestimmt wird.

[0060] Das Ist-Moment ergibt sich dann als Quotient aus der Leistung und der Drehzahl. Im Fall von geringen Werten für die Drehzahl kann das Ist-Moment aus den Phasenströmen ermittelt werden.

[0061] Die oben erwähnte Ermittlung des Phasenwinkels aus dem Verlauf der Phasenspannungen und/oder Phasenströme wird nachfolgend erläutert: 5/11 österreichisches Patentamt AT509 794B1 2012-06-15 [0062] Zu einem ersten Zeitpunkt t1 wird ein Maximalwert der gemessenen Phasenströme 11, I2, I3 oder Phasenspannungen U1, U2, U3 als Betragsmaximum ermittelt. In weiterer Folge wird unter Verweis auf die Figuren 4 bis 7 (in allen Diagrammen zeigt dabei die Abszisse den zeitlichen Verlauf des Phasenwinkels) die Vorgehensweise nicht einschränkend anhand der Phasenspannungen U1, U2, U3 erläutert.

[0063] Zu dem in das Phasendiagramm in Fig. 4 (auf der Ordinate sind die Strom- bzw. Spannungswerte eingetragen) eingezeichneten ersten Zeitpunkt t1 weist U2 das Betragsmaximum auf und ist damit der oben genannte Maximalwert: [0064] Maximalwert = max(abs(U1), abs(U2), abs(U3)), wobei „abs" den Absolutbetrag bezeichnet.

[0065] Die Messwerte der Phasenspannungen U1, U2, U3 werden durch Division durch den Maximalwert normiert (Fig. 5; die Ordinate zeigt hier die normierten Werte): [0066] U1'=U1/Maximalwert; [0067] U2'=U2/Maximalwert; [0068] U3'=U3/Maximalwert.

[0069] Aus dem folgenden normierten Wert derjenigen Phasenspannung, nach der normiert wurde (im vorliegenden Fall also U2; U2'=-1), ergibt sich ein Winkelbereich für den Phasenwinkel (Fig. 6; Ordinate zeigt Winkelbereich).

[0070] Beispielsweise ergibt sich aus der Anwendung und dem normierten Wert von U2 im vorliegenden Beispiel nach einmaligem Festlegen der Nulllage (und entsprechendem Ablegen der Information in der Sicherheitseinheit 7 (bzw. in der Verarbeitungseinheit 10) ein Winkelbereich für den Phasenwinkel zwischen 0° und 60° (siehe Fig. 6). Aus den verbleibenden Größen (im vorliegenden Fall 111' und U3') lässt sich der Phasenwinkel ermitteln (Fig. 7; die Ordinate zeigt den Phasenwinkel). Dies erfolgt durch die Anwendung einfacher Grundrechnungsarten: [0071] Für einen ersten Winkelbereich 0° bis 60° ist der Phasenwinkel P = 0° + 60°*(P1 + P2)/2, wobei P1 = 0 + 111' und P2 = 1-U3'.

[0072] Für andere Winkelbereiche lässt sich der Phasenwinkel P wie folgt ermitteln: 0°bis 60°: P = 0° + 60°- (P1 + P2) / 2 mit P1 = 0 + U1'und P2 = 1 - U3'; 60° bis 120°: P = 60°+60°-(P1 + P2) / 2 mit P1 = 0 - U3' und P2 = 1 + U2'; 120 °bis 180°: P = 120°+60°-(P1 + P2) / 2 mit P1 = 0 + U2' und P2 = 1-U1'; 180° bis 240°: P = 180°+60°-(P1 + P2) / 2 mit P1 = 0-U1'und P2 = 1 + U3'; 240° bis 300°: P = 240° + 60°- (P1 + P2) / 2 mit P1 = 0 + U3' und P2 = 1 -U2'; und 300° bis 360°: P = 300°+ 60°- (P1 + P2) / 2 mit P1 = 0-U2’ und P2 = 1 + U1\ [0073] Durch Bestimmung des Phasenwinkels zu einem zweiten Zeitpunkt t2 lässt sich aus den zum ersten Zeitpunkt t1 und zum zweiten Zeitpunk t2 ermittelten Werten für den Phasenwinkel die Drehzahl der Motorwelle ermitteln. Die Drehzahl ist die zeitliche Ableitung des Phasenwinkels. Durch die Bildung des Quotienten aus Leistung und Drehzahl ergibt sich das Ist-Moment, und über Vergleich mit dem Soll-Moment lässt sich überprüfen, ob eine Situation zum Aktivieren des sicheren Zustands vorliegt. 6/11

Claims (13)

1. österreichisches Patentamt AT509 794B1 2012-06-15 Patentansprüche 1. Verfahren zum sicheren Betrieb eines Umrichters (4) für rotierende elektrische Maschinen (6), wobei der Umrichter (4) zwischen einer Energiespeichereinrichtung (5) und einer rotierenden elektrischen Maschine (6) angeordnet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Übertragen eines Soll-Moments für die rotierende elektrische Maschine (6) an den Umrichter (4); b) Ermitteln des an der Welle der rotierenden elektrischen Maschine (6) wirkenden Ist- Moments; c) Vergleichen des Ist-Moments mit dem Soll-Moment; d) Aktivieren eines sicheren Zustands, wenn die Abweichung zwischen Ist-Moment und Soll-Moment außerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegt, oder e) Fortsetzen bei Schritt a), wenn die Werte für Ist-Moment und Soll-Moment innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs liegen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Einnehmen des sicheren Zustands in Schritt d) das Verfahren bei Schritt a) fortgesetzt wird, wobei der sichere Zustand wieder deaktiviert wird, wenn über eine festgelegte Anzahl von Zyklen die Abweichung zwischen Ist-Moment und Soll-Moment innerhalb eines festgelegten Toleranzbereiches liegt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (4) mit einer Sicherheitseinheit (7) verbunden ist und in Schritt a) das Soll-Moment an die Sicherheitseinheit (7) übermittelt wird und die Schritte b), c) und d) in der Sicherheitseinheit (7) durchgeführt werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) neben dem Soll-Moment noch weitere Plausibilisierungsgrößen an die Sicherheitseinheit (7) übertragen werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Ist-Moments in Schritt b) durch Messen der Ströme und Spannungen zwischen Umrichter (4) und rotierender elektrischer Maschine (6) erfolgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme und Spannungen zwischen Umrichter (4) und Energiespeichereinrichtung (5) und/oder zwischen Umrichter (4) und rotierender elektrischer Maschine (6) gemessen werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) folgende Unter-Schritte umfasst: b1) Ermitteln der Leistung an der rotierenden elektrischen Maschine (6) aus den gemessenen Strömen und Spannungen; b2) Ermitteln der Drehzahl der Welle der rotierenden elektrischen Maschine (6) über die zeitliche Änderung des Phasenwinkels, wobei der Phasenwinkel aus dem Verlauf der Phasenspannungen und/oder der Phasenströme bestimmt wird; b3) Ermitteln des Ist-Moments als Quotient aus der Leistung gemäß Schritt b1) und der Drehzahl gemäß Schritt b2). 7/11 österreichisches Patentamt AT509 794B1 2012-06-15
8. 8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) folgende Unter-Schritte umfasst: b1) Ermitteln der Leistung an der rotierenden elektrischen Maschine (6) aus den gemessenen Strömen und Spannungen; b2) Ermitteln der Drehzahl der Welle der rotierenden elektrischen Maschine (6) über die zeitliche Änderung des Phasenwinkels, wobei der Phasenwinkel aus dem Verlauf der Phasenspannungen und/oder der Phasenströme bestimmt wird; b3) Ermitteln des Ist-Moments aus den Phasenströmen, wenn der Wert für die Drehzahl in b2) einen festgelegten Wert unterschreitet.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b2) zu einem ersten Zeitpunkt t1 ein Maximalwert als Betragsmaximum der gemessenen Phasenspannungen oder Phasenströme bestimmt wird, die Messwerte der Phasenspannungen oder Phasenströme zum Zeitpunkt t1 mittels Division durch den Maximalwert normiert werden, anhand des Wertes der Phasenspannung oder des Phasenstroms, nach der oder dem normiert wurde, ein Winkelbereich für den Phasenwinkel ermittelt wird und unter Verwendung der normierten Werte der verbleibenden Phasenströme oder Phasenspannungen der Phasenwinkel ermittelt wird und die genannten Handlungen zu einem zweiten Zeitpunkt t2 wiederholt werden und aus den Werten für den Phasenwinkel zum Zeitpunkt t1 und t2 die Drehzahl der Welle der rotierenden elektrischen Maschine bestimmt wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivieren des sicheren Zustands in Schritt d) durch Unterbrechen der Verbindung zur Übertragung des elektrischen Leistungsflusses zwischen der Energiespeichereinrichtung (5) und der rotierenden elektrischen Maschine (6) über zumindest einen Abschaltpfad (8, 8') erfolgt.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abschaltpfad (8, 8') zwischen Umrichter (4) und Energiespeichereinrichtung (5) befindet.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abschaltpfad (8') im Umrichter (4) befindet.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein erster Abschaltpfad (8) zwischen Umrichter (4) und Energiespeichereinrichtung (5) befindet und sich ein zweiter Abschaltpfad (8') im Umrichter (4) befindet. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 8/11