DE10023908A1 - Verfahren zur Ermittlung der Polradlage einer elektrischen Maschine - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung der Polradlage einer elektrischen MaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Polradlage an elektrischen Maschinen (1), wie beispielsweise Drehstromgeneratoren mit Puls-Wechsel-Richtern. Diese umfassen eine Läufer-Erregung (2) und eine mit Induktivitäten (4.1, 4.2, 4.3 bzw. 20, 21, 22) versehenem Ständer (4). Ständerausgangsseitig ist zwischen zwei Stehklemmen (5) eine Wechselstromquelle (7) aufgenommen. Mittels erster und zweiter Schaltelemente (15, 16) kann in zwei Stränge (13 bzw. 14) verzweigt werden, in denen die jeweiligen Strangspannungsverläufe (17, 18) gemessen werden, aus deren Überlagerung eine eindeutige Bestimmung der Läufer bzw. Polradlage (11) ermöglicht.
Description
Die Erzeugung der elektrischen Leistung in Kraftfahrzeugen erfolgt heute
üblicherweise durch Klauenpolgeneratoren. Diese elektrischen Maschinen sind als
Drehstrommaschinen über eine Dioden-Gleichrichter-Brücke mit dem Bordnetz
des Kraftfahrzeuges verbunden. Das Bordnetz des Kraftfahrzeuges ist heute
üblicherweise ein Gleichspannungsnetz. Die Generatoren werden so
dimensioniert, daß sie bereits beim Motorleerlauf einer
Verbrennungskraftmaschine die geforderte elektrische Leistung bereitstellen
können.
Durch die zunehmende Ausstattung von Kraftfahrzeugen mit elektrischen
Verbrauchern wie elektrischen Sitzverstellungen und Sitzlehnenverstellungen,
einer elektrischen Betätigung von Glashub- oder Glasschiebedächern sowie
Fensterhebern und dergleichen, werden die Anforderung an die Bereitstellung
ausreichender elektrischer Leistung immer höher. Um die erwartete
Leistungssteigerung auch in Zukunft sicher abdecken zu können, existieren
Überlegungen, die Generatoren, ausgestaltet als Klauenpolgeneratoren mit einem
Puls-Wechsel-Richter auszustatten, um bereits bei geringeren Drehzahlen wie
etwa der Motorleerlaufdrehzahl, die geforderte Leistung bereitzustellen.
Insbesondere während der Startphase wird von der elektrischen Maschine
Drehstromgenerator mit Puls-Wechsel-Richter gefordert, daß sie bereits dann das
maximal mögliche Drehmoment an ihrer Welle aufbringt. Dies ist jedoch nur
dann möglich, wenn die Anfangslage des Läufers bekannt ist. In der Regel wird
bei heute eingesetzten Klauenpolgeneratoren ein Polradgeber eingesetzt. Neben
dem Einsatz des Polradgebers kann die Anlauflage des Polrades auch durch einen
Beobachter ermittelt werden. In beiden Fällen, sowohl beim Einsatz eines
Beobachter als auch bei Einsatz eines Polradgebers, sind Informationen zum
Anfangswert des Polradgebers unerläßlich.
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, durch eine
Verzweigungsstelle zwei sich einstellende Wechselspannungsverläufe
aufzunehmen. An der Verzweigungsstelle der Meßschaltung kann in zwei
Spannungsstränge, verzweigt werden, die jeweils eine Wechselspannungsquelle
enthalten. Die Wechselspannungsquelle erzeugt zeitlich veränderliche
Spannungsverläufe beispielsweise sinusförmige Spannungsverläufe in den
jeweiligen Spannungssträngen der elektrischen Maschine.
Durch Ausmessung des Spannungsverlaufes in einer ersten Position eines
Schaltelementes und Ausmessung des Spannungsverlaufes in einer zweiten
Position eines Schaltelementes läßt sich, da jeweils bekannt ist im welchem
Strang gemessen wird, die exakte Position des Läufers und damit des Polrades
ermitteln. Die Überlagerung der sich in den jeweiligen Spannungssträngen
einstellenden Spannungsverläufe vermeidet eine Belegung eines Spannungswertes
uC mit zwei Läuferpositionen, wie dies unzulänglicherweise bisher der Fall war.
Es ist unerheblich, ob bei der elektrischen Maschine der Ständer in Sternschaltung
oder in Dreieckschaltung geschaltet ist. Die einzelnen sich in den Strängen
einstellenden Spannungsverläufe können in tabellarischer Form abgelegt werden
und lassen sich für ähnliche elektrische Maschinen wieder anwenden. Damit
lassen sich der Einsatz eines Polradgebers sowie die sich aus dessen Einsatz
ergebenden Kosten vermeiden. Trotz Fehlen des Polradgebers ist mit dem
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren die Lage des Läufers so genau
feststellbar, daß beim Start des Drehstromgenerators das maximal mögliche
Drehmoment an dessen Welle anliegt.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 die Schaltung ausgeführt in Sternschaltung mit Wechselspannungsquelle,
Fig. 2 der sich einstellende, mehrdeutige Spannungsverlauf uC, aufgetragen über
die Läuferposition, wiedergegeben in Winkelgraden,
Fig. 3 eine Sternschaltung mit Verzweigungsstellen in ihren Spannungsstränge,
die jeweils eine Wechselspannungsquelle enthalten,
Fig. 4 die über der Läuferposition in Winkelgeraden aufgetragenen
Spannungsverläufe uC und uR und
Fig. 5 der Drehstromgenerator mit der Schaltung gemäß Fig. 3 mit in
Dreieckschaltung ausgeführtem Ständer.
Fig. 1 zeigt die Schaltung einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines
Drehstromgenerators in Sternschaltung mit Wechselspannungsquelle.
Ein Drehstromgenerator 1, gemäß Fig. 1 nur schematisch mit Läufererregung 2
und Ständerinduktionswicklungen 4.1, 4.2 und 4.3 dargestellt, ist an seinen
Klemmen 5 mit einer Meßschaltung versehen. Die Klemmen 5 der
Spannungsstränge a, b und c sind bis auf den Strang c stromführend. Zwischen
den Klemmen a, b ist eine Wechselspannungsquelle enthalten, die einen
zeitveränderlichen Spannungsverlauf, so zum Beispiel einen sinusförmigen
Spannungsverlauf u = u0 sin (ωt) erfolgt.
Die die einzelnen Spannungsstränge der Meßschaltung jeweils mit den
Ausgangsklemmen 5 des Drehstromgenerators 1 verbindenden Klemmen sind mit
a, b und c bezeichnet.
Aus Fig. 2 geht der sich einstellende, mehrdeutige Spannungsverlauf uC hervor,
aufgetragen über der Läuferposition wiedergegebenen Winkelgraden.
Im Diagramm gemäß Fig. 2 ist eine halbe Läuferumdrehung 11 sich erstreckend
von 0° Drehwinkel bis 180° Drehwinkel wiedergegeben. Der sich einstellende
Spannungsverlauf uC, identifiziert mit Bezugszeichen 9, beschreibt eine
Sinusschwingung. Für einen bestimmten Wert von beispielsweise 2 V lassen sich
zwei Läuferpositionen 11, nämlich etwa 50° und 160° Drehwinkel des Läufers
identifizieren, wodurch die Polradlage nicht eindeutig ist.
Aus diesem beispielhaft herausgegriffenen Wertpaar läßt sich ableiten, daß aus
einer diskreten Spannung UC zwei Läuferlagen hervorgehen, die eine eindeutige
Zuordnung der tatsächlichen Läuferradlage zur gemessenen Spannung nicht
zulassen.
Demgegenüber ist in Fig. 3 eine Drehstrommaschine mit ständerseitiger
Sternschaltung vorgesehen sowie mit zwei dem Ständer nachgeordneten einzelnen
Schaltkreisen.
Aus der Darstellung gemäß Fig. 3 geht hervor, daß der Drehstromgenerator 1 eine
Läufererregung 2 enthält, die zwei Anschlußklemmen aufweist. Die einzelnen
Ständerwicklungspakete des Ständers 4 des Drehstromgenerators 1 sind mit
Bezugszeichen 4.1, 4.2 und 4.3 bezeichnet. Ausgangsseitig der
Drehstrommaschine sind analog zur Darstellung gemäß Fig. 1 Klemmen 5
vorgesehen, die mit den Buchstaben a, b und c bezeichnet sind.
In den von den einzelnen Klemmen 5 ausgehenden Spannungssträngen sind
gemäß der vorgeschlagenen Erfindung Schaltelemente 15 bzw. 16 integriert. Im in
Fig. 3 dargestellten Schaltzustand kontaktieren die Schaltelemente 15 bzw. 16 in
Position 15.1 bzw. 16.1 die Anschlußklemmen eines innen liegenden
Spannungsstranges 13, in welchem eine Wechselspannungsquelle (vergleichbar
mit der Wechselspannungsquelle 7 gemäß Fig. 1) aufgenommen ist. Im in Fig. 3
wiedergegebenen Zustand, der der Schaltposition 15.1 entspricht, wird die
Meßspannung im Spannungsstrang 13 gemessen.
Die Schaltelemente 15 bzw. 16 nehmen neben ihrer ersten Schaltposition 15.1
bzw. 16.1 auch eine zweite Schaltposition, identifiziert durch die Bezugszeichen
15.2 und 16.2 ein. In dieser zweiten Schaltposition kontaktieren die Schalterstege
die Anschlußklemmen eines äußeren Spannungsstranges 14, der analog zum
inneren Spannungsstrang 13 ebenfalls eine Wechselstromquelle enthält. Wird im
inneren Spannungsstrang 13 der zeitliche Verlauf einer Spannung uR
(Spannungsverlauf 18) gemessen, so sind die Schaltelemente 15 bzw. 16 in ihren
ersten Schaltpositionen, bezeichnet mit Bezugszeichen 15.1 bzw. 16.1 geschaltet,
so daß die Ständerwicklungen 4.1, 4.2, 4.3 über die Klemmen 5a, c mit der
Meßschaltung verbunden sind.
In diesem Zustand sind die Anschlüsse 15.2 bzw. 16.2 des äußeren
Spannungsstranges 14 stromlos.
Befinden sich der erste Schalter 1 S bzw. der zweite Schalter 16 in den mit 15.2
bzw. 16.2 bezeichneten zweiten Schaltpositionen, so ist der innere
Spannungsstrang 13 nicht mit den Ausgangsklemmen 5a) bzw. 5c) des Ständer
des Drehstromgenerators verbunden, sondern der äußere Spannungsstrang 14.
Dadurch kann eine Messung der an der Wechselstromspannungsquelle
abfallenden Spannung uc, auch gekennzeichnet mit Bezugszeichen 17, erfolgen.
Aus den mit der in Fig. 3 dargestellten Meßschaltung ermittelbaren
Spannungsverläufen 17 bzw. 18 bzw. uR und uC lassen sich die
Spannungsverläufe in den beiden Zweigen in definierten Zuständen messen.
In der Darstellung gemäß Fig. 4 sind die sich am äußeren Spannungsstrang 14
bzw. am inneren Spannungsstrang 13 einstellenden Spannungverläufe
wiedergegeben.
In Fig. 4 ist der sich einstellende Spannungsabfall über der Läuferposition 11
wiedergegeben. Aus dem Diagramm geht hervor, daß in Bezug auf die
Läuferposition 11 der Spannungsverlauf 18 uR dem Spannungsverlauf uC mit
Bezugszeichen 17 gekennzeichnet um 60° nacheilt. Damit die Aufnahme der
Meßspannungen mit der Meßschaltung gemäß Fig. 3 jeweils genau definiert ist, in
welchem der Spannungsstränge 13 bzw. 14 welcher Spannungsverlauf 17 bzw. 18
abgegriffen wird, läßt sich aus der überlagerten Darstellung der beiden
Spannungsverläufe jeweils einer der Spannungsverläufe uC bzw. uR genau eine
Läuferposition 11 zuordnen. Eine tabellarische Zuordnung der jeweiligen
Spannungswerte für die Spannungsabfälle uC bzw. uR in tabellarischer Form
ermöglicht eine direkte Zuordnung der jeweiligen Läuferposition bzw. des
Polrades einer elektrischen Maschine in Gestalt eines Drehstromgenerators zum
jeweils ermittelten Spannungswert. Dadurch läßt sich die Ausstattung einer
elektrischen Maschine wie eines Drehstromgenerators 1 mit einem
Polradlagegeber vermeiden. Aus der tabellarischen Zuordnung der jeweiligen
Läuferposition 11 in Bezug auf die in den Spannungssträngen 13 bzw. 14 jeweils
gemessenen Spannungsverläufe uC, Bezugszeichen 17 oder uR, Bezugszeichen 18,
lassen sich die jeweiligen Spannungsverläufe uC bzw. uR und die entsprechende
Läuferposition auch für andere elektrische Maschinen bestimmen. Dadurch kann
in tabellarischer Form eine Zuordnung der Spannungsverläufe zur Läufer- bzw.
Polradwinkellage erzielt werden, die eine Aussage über die Polradlage und damit
über die während der Startphase der elektrischen Maschine zur Verfügung
stehende elektrische Leistung im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges zuläßt. Die
mittels der gemäß Fig. 3 dargestellten Meßschaltung gewonnene Information von
Zuordnung zur Polradlage zu Spannungsverläufen läßt somit einen Verzicht auch
an ähnlich konfigurierten elektrischen Maschinen zu, so daß theoretisch eine
aufgenommene Meßreihe ausreicht, um an sämtlichen elektrischen Maschinen
wie beispielsweise Drehstromgeneratoren 1, die nach dem Klauenpolprinzip
aufgebaut sind, die Polradgeber überflüssig zu machen und damit Kosten
einzusparen.
Die Darstellung gemäß Fig. 5 zeigt einen Drehstromgenerator mit der
Meßschaltung gemäß Fig. 3 wobei der Ständer dieser elektrischen Maschine 1 in
Dreieckschaltung geschaltet ist.
Die lediglich in schematischer Form wiedergegebene elektrische Maschine,
beispielsweise ein Drehstromgenerator, verfügt über eine Läufererregung 2, deren
Erregerstrom an den Klemmen 3 eingespeist wird. Der Ständer 4 der elektrischen
Maschine gemäß Fig. 5 ist in Dreieckschaltung ausgeführt, wobei der Ständer 4
drei Wicklungen 20, 21 bzw. 22 umfaßt. Analog zu in Fig. 3 wiedergegebenen
Ausführungsform werden die Spannungen an den drei den Drehstromgenerator 1
verlassenden Leitern gemessen. Analog zu in Fig. 3 konfigurierten Meßschaltung
ist in der Schaltung gemäß Fig. 5 ein äußerer Spannungsstrang 14 bzw. ein innerer
Spannungsstrang 13 wiedergegeben. Der innere Spannungsstrang 13 enthält eine
Wechselstromquelle 7, die einen zeitveränderlichen Spannungsverlauf
beispielsweise in Gestalt einer sinusförmigen Spannung appliziert. Die Enden des
inneren Spannungsstranges 13 sind jeweils mit den Klemmen 15.1 bzw. 16.1
ausgestattet, die gleichzeitig eine erste Schaltposition der vorgelagerten Schalter
15 bzw. 16 definieren. In analoger Ausführung des äußeren Spannungsstranges 14
enthält dieser ebenfalls eine zeitveränderliche Spannung erzeugende
Spannungsquelle 7 und ist an seinen Enden ebenfalls mit zweite Schaltpositionen
definierenden Klemmen 15.2 bzw. 16.2 ausgestattet. Die Schaltelemente, die in
den Klemmensträngen a bzw. c des Drehstromgenerators 1 enthalten sind, lassen
sich von einer ersten Schaltposition 15.1 bzw. 16.1 mit dem inneren
Spannungsstrang 13 verbinden während die Verbindung des Schaltelementes 15
bzw. 16 zu den in den zweiten Schaltpositionen 15.2 bzw. 16.2 die Verbindung zu
dem äußeren Spannungsstrang 14 darstellt. Die mit dieser Meßschaltung sich
einstellende Spannungsverläufe in dem inneren Spannungsstrang 13 bzw. dem
äußeren Spannungsstrang 14 lassen sich der Darstellung gemäß Fig. 4 in analoger
Weise entnehmen, indem die Spannungsverläufe 17 bzw. 18, uC, uR über der
Läuferposition 11 aufgetragen sind.
Gängige Werte für eine gemäß der vorliegenden Erfindung durchgemessene
elektrische Maschine in Gestalt eines Drehstromgenerators sind dem Ankerstrom
ia von 50 A × sin(ωt) mit ω = 10.000 s-1. Der dazugehörige Feldstrom if beträgt 0
Ampere, wobei die Längsinduktivität Id 70 µH beträgt. Die Ermittlung der
Läuferposition ist unabhängig von der Größe des Erregerstromes im Erregerkreis
und kann damit auch ohne Bestromung der Erregerspule erfolgen. Ferner ist
unerheblich, ob die Ständerwicklung 4 der elektrischen Maschine 1 in
Sternschaltung mit in Stern geschalteten Induktivitäten 4.1, 4.2 bzw. 4.3 gemäß
Fig. 3 geschaltet ist oder ob die Ständerschaltung als Dreieckschaltung mit im
Dreieck geschalteten Wicklungen 20, 21, 22 versehen ist.
1
Drehstromgenerator
2
Läufererregung
3
Klemmen
4
Ständer
4.1
Wicklungspaket
4.2
Wicklungspaket
4.3
Wicklungspaket
5
Klemme
6
Ankerstrom
7
Wechselstromquelle
8
Feldstrom
9
Spannungsabfallkondensator
10
Spannungsverlauf uC
11
Läuferposition
12
Spannungsverlauf 0° bis 180°
13
Spannungsstrang
14
Spannungsstrang
15
erster Schalter
15.1
Schalterposition
1
15.2
Schalterposition
2
16
zweiter Schalter
16.1
Schalterposition
1
16.2
Schalterposition
2
17
Spannungsverlauf uC
18
Spannungsverlauf uR
19
Ständer Dreieckschaltung
20
Wicklungssegment
21
Wicklungssegment
22
Wicklungssegment
23
Generatorklemmen
Claims (9)
1. Verfahren zur Ermittlung der Polradlage an elektrischen Maschinen (1),
beispielsweise Drehstromgeneratoren mit Puls-Wechsel-Richtern, einer
Läufererregung (2) und einen mit Induktivitäten (4.1, 4.2, 4.3); (20, 21, 22)
versehenen Ständer (4) und einer Spannungsquelle (7) zwischen zwei
Strangklemmen (5), dadurch gekennzeichnet, daß mittels Schaltelementen
(15, 16) in zwei Stränge (13, 14) verzweigt werden kann, in denen die
jeweiligen Strangspannungsverläufe (17 bzw. 18) gemessen werden, deren
Überlagerung eine eindeutige Bestimmung der Polradlage (11) ermöglicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Spannungsquelle (7) eine Wechselspannungsquelle mit zeitveränderlichem
Spannungsverlauf (12; 17, 18) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Spannungsquelle (7) eine Wechselspannungsquelle mit sinusförmigen
Spannungsverlauf (12; 17, 18) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen
(4.1, 4.2, 4.3) des Ständers (4) in Sternschaltung geschaltet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen
(20, 21, 22) des Ständers (4) in Dreieckschaltung geschaltet sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der ersten
Schalterposition (15.1 bzw. 16.1) der Spannungsverlauf (18) uR in einem
inneren Strang (13) gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten
Schalterposition (15.2, 16.2) der Spannungsverlauf (17) uC im äußeren
Spannungsstrang (14) gemessen wird.
8. Verfahren nach den Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Läuferposition (11) für jeden der Spannungsverläufe (17, 18) tabellarisch
abgelegt und auf ähnliche elektrische Maschinen (1) übertragbar ist.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß während der Startphase des
Drehstromgenerators (1) die Läufer bzw. Polradlage derjenigen Läufer bzw.
Polradlage entspricht, in der das Aufbringen des maximal möglichen
Drehmomentes auf die Abtriebswelle der elektrischen Maschine (1) möglich
ist.
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