CN111480290A

CN111480290A - 用于保护电机的装置

Info

Publication number: CN111480290A
Application number: CN201980006499.8A
Authority: CN
Inventors: I·古斯耶夫
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-07-31
Also published as: DE102018206336A1; WO2019206551A1; US11290050B2; US20200350848A1

Abstract

本发明涉及一种用于在故障情况下保护具有六个相端子的电机的装置。该装置包括用于检测电机故障的监控单元和用于在检测到电机故障时将电机从正常运行状态切换到短路运行状态的切换单元，所述切换单元构造用于将电机的六个相端子根据预定义模式异步短路。

Description

用于保护电机的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在故障情况下保护电机的装置。此外，本发明涉及一种用于在故障情况下保护电机的方法以及一种具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码构造用于在计算机上、尤其是在控制器上执行这种方法。

背景技术

电机、如永磁同步电机可用于许多技术领域。这种永磁同步电机、通常是三相交流电机例如用于机动车中。如果需要三相以上，如为了更好地将功率分配到多条线路上，例如可将三相电机互连。为了提供六相，为此可将两台三相电机互连，各相彼此偏移。作为替代方案，可直接提供一台六相电机，在其中六相彼此偏移。

出于安全原因，必须采取预防措施以确保发生故障时的运行状态。设置这种运行状态的一种可能性是主动短路(AKS)。通过适合的开关元件将电机的端子短路。以此方式可避免在出现过高电压时发生损坏，过高电压例如在故障情况下出现。

但在主动短路时可产生瞬态短路电流，其可能相当大并且也可能损坏驱动装置。为了避免这种损坏，可对驱动组件进行粗略的尺寸设计，但这非常复杂。

发明内容

在这种背景下，本发明的任务在于以简单的方式保护具有六个相端子的电机及其控制电路免受瞬态电流的损坏。

据此，提出一种用于在故障情况下保护电机的装置。在此，电机具有六个相端子。设置用于监控电机故障的监控单元。例如当电机的相端子上的电压超过预定阈值时或者当检测到相短路或绕组短路或其它故障时，可识别故障。

对于这种情况，设置用于将电机从正常运行状态切换到短路运行状态的切换单元。切换单元在此构造用于将电机的六个相端子根据预定义模式异步短路。这意味着各个相端子彼此时延地短路，即相端子延迟地短路。在此两相、三相或四相端子可在有或无延迟地同时短路。

通过将六个相端子根据预定义模式异步短路可减小在主动短路时可出现的瞬态(相)电流。相电流的这种减小有利于电机控制电路中的部件的使用寿命。另外，由于预计较低的相电流，所使用的部件尺寸可更小并且因此成本更低。减小的瞬态相电流也对电机本身的尺寸和使用寿命产生积极影响。

相应单元、如切换单元可通过硬件技术和/或软件技术实现。在通过硬件技术实现时，相应单元可构造为装置或装置的一部分、如逻辑电路。在通过软件技术实现时，相应单元可设计为计算机程序产品、函数、例程、在控制器中运行的程序代码的一部分或可执行对象。

根据一种实施方式，所述装置具有用于存储一个查找表形式的预定义模式的存储单元。尤其是在存储单元中存储多个预定义模式。基于电机的当前参数可以简单的方式选择一种匹配的、存储的模式。该模式在此定义相开关模式，即，将不同相以何种顺序和何种时延短路。

例如切换单元可构造用于基于电机转子的当前角度选择所述多个预定义模式中的一个。在此可始终选择针对基于预定义角度容差最接近当前角度的角度所存储的模式。因此，切换单元可基于预定义角度容差范围选择所述多个预定义模式中的一个。

根据另一种实施方式，切换单元构造用于基于用于关断电机转子的希望方案选择所述多个预定义模式中的一个。该方案可以是瞬态短路电流的抑制或中间电路电容器的放电。

为了实现受控的主动短路可存储不同的方案。在此可立即激活短路运行状态或延迟激活短路运行状态。

在抑制瞬态电流时可在暂时不关键的故障情况下等待直到转子达到优化位置之一(电角度)，然后可根据存储的模式执行受控的主动短路。在此情况下可实现对瞬态电流的最有效抑制。

如果必须立即执行主动短路，则可根据转子位置选择最佳开关模式，这仍可有效抑制瞬态电流。

根据另一种实施方式，预定义模式定义第一、第二、第三、第四、第五和第六相端子短路之间的延迟。

如已在实验中证明的，如果满足以下方程式，则可优化地抑制正负电磁力矩下的瞬态电流：

U_d1＝U_q1＝U_min；bei U_q1＞0(T_e＞0)

|U_d1|＝U_q1＝U_max；bei U_q1＜0(T_e＜0)

在这些方程式中使用旋转dq系统，电机通过该系统中的空间矢量表示来控制。由于必须控制六个相，因此在dq系统中使用两个子空间，即d₁、q₁和d₂、q₂。在控制电机时，每个子空间产生一个横向相电压U_q1、U_q2和一个纵向相电压U_d1、U_d2。U_d1表示第一子空间中的纵向相电压并且U_q1表示第一子空间中的横向相电压。第二子空间在确定相的短路方面不起作用。

基于所述方程式可确定并存储满足这些条件的不同开关模式。具有12个开关元件的六相逆变器总共可具有64种开关状态。开关模式在此定义其中电压U_d1和U_q1达到其最小值或最大值的开关状态。在不同的开关状态中并且当转子电角度从0变化为2π时，相电压可切换为上述d₁/q₁/d₂/q₂-坐标系。

表1和2示出示例性的优化开关模式和相应的优化转子位置(转子电角度Θ_e1)。表1示出用于电机正力矩的示例性优化开关模式并且表2示出用于电机负力矩的示例性优化开关模式。在此示出12种优化组合，其中转子角度从0到2π每次改变30°。

表1：在条件U_d1＝U_q1＝min下用于正力矩的优化角度。

Θ<sub>el</sub>	相u<sub>1</sub>、v<sub>1</sub>、w<sub>1</sub>、u<sub>2</sub>、v<sub>2</sub>、w<sub>2</sub>
		π/6	0 1 1 0 1 0
π/3	0 1 1 0 1 1
		π/2	0 0 1 0 1 1
2π/3	0 0 1 0 0 1
		5π/6	1 0 1 0 0 1
π	1 0 1 1 0 1
		7π/6	1 0 0 1 0 1
4π/3	1 0 0 1 0 0
		3π/2	1 1 0 1 0 0
5π/3	1 1 0 1 1 0
		11π/6	0 1 0 1 1 0
2π/(0)	0 1 0 0 1 0

表2：在条件|U_d1|＝U_q1＝max下用于负力矩的优化角度。

通过使相应相有时延地短路可满足条件，由此可在短时间内建立必要的电压。例如在出现故障之后在开关模式u₁＝1、v₁＝1、w₁＝0、u₂＝1、v₂＝1、w₂＝0中(其中u₁、v₁、w₁、u₂、v₂、w₂分别表示一个相)，相u₁、v₁、u₂、v₂的短路与相w₁、w₂相比延迟可定义的时间Δt。

根据另一方面，提出一种用于在故障情况下保护具有六个相端子的电机的方法。该方法包括以下步骤：检测电机的故障并且在检测到电机的故障时将电机从正常运行状态切换到短路运行状态，在此将电机的六个相端子根据预定义模式异步短路。

对于所提出的装置描述的实施方式和特征相应地适用于所提出的方法。

此外，提出一种具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码构造用于在计算机上、尤其是在控制器上执行如上所述的方法。

计算机程序产品、如计算机程序装置例如可作为存储介质、如存储卡、USB棒、CD-ROM、DVD或以可从网络中的服务器下载的文件形式被提供或供应。这例如可在无线通信网络中通过计算机程序产品或计算机程序装置传输相应文件来进行。

附图说明

本发明的其它可能的实现方式还包括上面或下面关于实施例描述的特征或实施方式的未明确提及的组合。在此技术人员也可增加单个方面作为对本发明相应基本形式的改进或补充。

本发明的其它有利实施方式和方面是从属权利要求和下面描述的本发明实施例的技术方案。此外，借助优选实施例并参照附图详细阐述本发明。附图如下：

图1示出用于在故障情况下保护电机的装置的示意性框图；

图2示出图1的装置在电机整个环境中的示意性框图；

图3示出图1的装置的原理示意图；

图4示出电机的横向和纵向相电压的示例性曲线；和

图5示出在故障情况下用于保护电机的方法的示意性流程图。

具体实施方式

在附图中，除非另有说明，否则相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。

图1示出用于在故障情况下保护电机20的装置10。电机20具有六个相端子u₁、v₁、w₁、u₂、v₂、w₂，如结合图2和3更详细描述的。

装置10的监控单元11监控电机20并且检测故障的发生。如果检测到这样的故障，则切换单元12将电机20从正常运行状态切换到短路运行状态。为了实现这点，电机20的六个相端子u₁、v₁、w₁、u₂、v₂、w₂根据预定义模式异步短路。

现在结合图2和3更详细地说明该切换的原理。

监控单元11向切换单元12发送紧急运行信号。

在接收到紧急运行信号之后，逆变器控制脉冲的生成从PWM标称运行模块22切换到由图1的装置10提供的紧急运行逻辑。

装置10在抑制瞬态短路电流的意义上通过逆变器21执行优化的关断策略。基于当前的转子电角度、角度容容差以及在接收到紧急运行信号之后方案的选择来选出优化的关断模式。方案可区分下述选项：

1.立即执行主动短路，在此为抑制瞬态短路优化了关断模式(Abschaltmuster)。

2.在多个优化转子位置之一中执行主动短路，在此为抑制瞬态短路电流优化了关断模式。

针对各相所生成或选择的优化关断模式u₁{0，1}、v₁{0，1}、w₁{0，1}、u₂{0，1}、v₂{0，1}、w₂{0，1}乘以所需的关断时延24。这些时延或延迟在图3的框23中生成。

在所生成的逆变器控制脉冲中将用于两相、三相或四相短路的时刻延迟关断时延，以便在主动短路切换期间优化地抑制瞬态电流。

在图4上方示出横向和纵向相电压U_d1(1)和U_q1(2)曲线的示例。在此情况下使用开关模式1、1、0、1、1、0。为了确保对瞬态短路电流的优化抑制，在优化转子角度4(U_d1＝U_q1＝min)下，首先将相位w₁、w₂短路，然后将相位u₁、v₁、u₂、v₂短路。图4的下图示出转子角度3。可以看出，每个周期0-2π存在一个优化转子角度4。

图5示出在故障情况下用于保护电机20的方法。该方法包括以下步骤。

在第一步骤301中，检测电机20的故障。

随后，在第二步骤302中将电机20从正常运行状态切换到短路运行状态，在此将电机20的六个相端子u₁、v₁、w₁、u₂、v₂、w₂根据预定义模式异步短路。

通过所提出的装置可将瞬态短路电流抑制1.5至2倍。由于不需要对电机和功率电子器件进行粗略的尺寸设计，因此减少了成本和安装空间。此外，不需要附加硬件。另外，中间电路电容器可在主动短路期间放电。

虽然借助实施例描述了本发明，但其可以许多方式进行修改。

附图标记列表

1 U_d

2 U_q

3 转子角度

4 优化转子角度

10 装置

11 监控单元

12 切换单元

20 电机

21 逆变器

22 PWM标称运行

23 延迟生成

24 延迟

301-302 方法步骤

Claims

1.一种用于在故障情况下保护电机(20)的装置(10)，其中，所述电机(20)具有六个相端子(u₁、v₁、w₁、u₂、v₂、w₂)，所述装置包括用于检测电机(20)故障情况的监控单元(11)，其特征在于，设有切换单元(12)，用于在检测到电机(20)的故障情况时将电机(20)从正常运行状态切换到短路运行状态，所述切换单元(12)构造用于将电机(20)的所述六个相端子(u₁、v₁、w₁、u₂、v₂、w₂)根据预定义模式异步短路。

2.根据权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，设有存储单元(13)用于存储查找表形式的预定义模式。

3.根据权利要求2所述的装置(10)，其特征在于，所述存储单元(13)构造用于存储多个预定义模式。

4.根据权利要求3所述的装置(10)，其特征在于，所述切换单元(12)构造用于基于电机(20)转子的当前角度选择所述多个预定义模式中的一个。

5.根据权利要求3或4所述的装置(10)，其特征在于，所述切换单元(12)构造用于基于预定义角度容差范围选择所述多个预定义模式中的一个。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置(10)，其特征在于，所述切换单元(13)构造用于基于用于关断电机(20)的希望方案选择所述多个预定义模式中的一个。

7.根据权利要求6所述的装置(10)，其特征在于，所述方案是短路运行状态的立即激活或短路运行状态的延迟激活。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，所述预定义模式定义第一(u₁)、第二(v₁)、第三(w₁)、第四(u₂)、第五(v₂)和第六(w₂)相端子短路之间的延迟。

9.一种用于在故障情况下保护电机(20)的方法，其中，所述电机具有六个相端子(u₁、v₁、w₁、u₂、v₂、w₂)，所述方法包括：检测(301)电机(20)的故障情况，其特征在于，

当检测到电机(20)的故障情况时，将电机(20)从正常运行状态切换(302)到短路运行状态，在此将电机(20)的所述六个相端子(u₁、v₁、w₁、u₂、v₂、w₂)根据预定义模式异步短路。

10.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有程序代码，所述程序代码构造用于促使在计算机上执行根据权利要求9所述的方法。