DE102006046637A1

DE102006046637A1 - Vorrichtung zur Gewinnung von Informationen über den Betriebszustand elektrischer Maschinen

Info

Publication number: DE102006046637A1
Application number: DE102006046637A
Authority: DE
Inventors: Rolf Strothmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-06-21
Also published as: EP1961108A1; WO2007073854A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung für die Bestromung elektrischer Maschinen verwendbarer Information über den Zustand der Maschinen. Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung (6, 8) vorgesehen, die zur Gewinnung der Zustandsinformation ein Messsignal auswertet, welches durch Änderung der Induktivität von Polwicklungsphasensträngen (1-3) der elektrischen Maschine infolge Stromfluss durch die Phasenstränge beeinflusst ist. Bei dem Messsignal kann es sich z. B. um das Potential am Sternpunkt 4 im Stern verschalteter Phasenstränge (1-3) handeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung für die Steuerung der Bestromung elektrischer Maschinen verwendbarer Information über den Zustand der Maschinen.

Aus der EP 1 005 716 B1 geht eine Vorrichtung zur Bestimmung der Rotordrehlage während des Motorbetriebs durch Anlegen von Impulsen an Phasenstränge insbesondere vielpoliger elektrischer Maschinen und durch Auswertung des Sternpunktpotentials hervor. Die Möglichkeit, auf solche Weise die Rotordrehlage bestimmen zu können, beruht darauf, dass die Induktivität der Phasenstränge innerhalb der halben magnetischen Periode eine eindeutige Funktion des Drehwinkels Φ des Rotors ist, wie dies in der hier einbezogenen EP 1 005 716 B1 beschrieben ist. Messspannungsimpulse können daher im Sternpunkt ein Potentialsignal erzeugen, das von der jeweiligen Induktivität des Phasenstrangs abhängt und daher ein Maß für die Stellung des Rotors innerhalb der halben magnetischen Periode ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche die Möglichkeiten zur Steuerung der Bestromung elektrischer Maschinen erweitert und insbesondere die oben erwähnte Vorrichtung zur Bestimmung der Rotordrehlage vorteilhaft ergänzen kann.

Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die zur Gewinnung der Zustandsinformation ein Messsignal auswer tet, welches durch Änderung der Induktivität von Polwicklungsphasensträngen der elektrischen Maschine infolge Stromfluss durch die Phasenstränge beeinflusst ist.

Bei dem Messsignal kann es sich zum Beispiel um eine von den Phasenstranginduktivitäten abhängige Spannung, eine Stromänderung oder einen Phasenwinkel handeln.

Die hier betrachteten Änderungen der Induktivität von Polwicklungsphasensträngen beruhen auf einer Schwächung oder Stärkung des die Polwicklungen durchsetzenden Magnetfeldes. Bei großen, durch die elektrische Maschine fließenden Betriebsströmen kann die Feldstärkenänderung in den Polwicklungen und damit deren Induktivitätsänderung erheblich sein. Folglich können Induktivitätsänderungen Aufschluss über den Bestromungszustand der elektrischen Maschine geben.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrifft die Zustandsinformation die Ausrichtung eines ausgewählten Phasenstrangs zum Nord- oder Südpol bzw., bei vielpoligen Maschinen, den Nordpolen oder Südpolen des Magnetfeldes. Hier führen je nach Stellung des Rotors Bestromungen entweder zu einer Erhöhung oder Verringerung der Induktivität des betreffenden Phasenstrangs, so dass durch die Auswertung eines von der geänderten Induktivität abhängigen Signals auf die Drehlage vor einem Nord- oder Südpol geschlossen werden kann.

Der die Induktivität ändernde Strom kann ein im Rahmen der Betriebsbestromung der elektrischen Maschine fließender Strom oder/und ein durch die genannte Einrichtung gesondert erzeugter Strom sein.

Im letzteren Fall die Einrichtung zur Erzeugung des Stromes vorzugsweise derart vorgesehen, dass der erzeugte Strom das Drehmoment der elektrische Maschine nicht beeinflusst, also einen Blindstrom bildet.

Der Strom kann insbesondere eine Komponente eines resultierenden Stromvektors sein, welche mit einer ein Drehmoment erzeugenden Komponente dieses Stromvektors, bezogen auf die magnetische Periode, einen Phasenwinkel von 90° einschließt. Die erstgenannte Komponente trägt somit nicht zum Drehmoment der elektrischen Maschine bei.

Das Messsignal kann durch eine Änderung des Verhältnisses der Induktivität der Phasenstränge beeinflusst sein.

Eine solche Beeinflussung liegt insbesondere dann vor, wenn entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Messsignal das Potential am Sternpunkt im Stern verschalteter Phasenstränge der elektrischen Maschine ist. Im Sternpunkt erfolgt stets eine Teilung der über den Phasensträngen liegenden Spannung, wobei in dreiphasigen Maschinen für die Teilung der induktive Widerstand eines Strangs und die Parallelschaltung der induktiven Widerstände der anderen beiden Stränge maßgebend ist.

Zweckmäßig umfasst die Vorrichtung ferner eine Einrichtung, welche Spannungsimpulse an wenigstens einen der Polwicklungsphasenstränge anlegt und zur Ermittlung der Drehlage des Rotors innerhalb einer halben magnetischen Periode durch die Spannungsimpulse das am Sternpunkt der im Stern verschalteten Phasenstränge erzeugte Potential auswertet.

Eine solche Lagebestimmung innerhalb einer halben magnetischen Periode gibt keinen Aufschluss darüber, ob die halbe magnetische Periode durch einen Nord- oder Südpol gebildet ist. Die Kenntnis der Ausrichtung des ausgewählten Phasenstrangs zu einem Nord- oder Südpol bildet hierzu eine vorteilhafte Ergänzung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer Vorrichtung nach der Erfindung,
2 eine das Anlegen von Messspannungsimpulsen an die Phasenstränge der elektrischen Maschine von 1 erläuternde Darstellung,
3 eine die Ermittlung der Drehlage des Rotors erläuternde Darstellung, und
4 den Zusammenhang zwischen dem die Polwicklungen durchsetzenden Magnetfeld H der elektrischen Maschine und der Induktion B in den Polwicklungen bzw. der Induktivität L der Polwicklungen.
1 zeigt Phasenstränge 1 bis 3 der Polwicklungsschaltung einer im übrigen nicht gezeigten 3-phasigen elektrischen Maschine. In dem betrachteten Ausführungsbeispiel weist die Maschine eine Vielzahl durch Permanentmagnete am Läufer gebildete magnetische Perioden auf, denen ein Drehwinkel ΔΦ entspricht, welcher wesentlicher kleiner als 360° ist und beispielsweise 12° beträgt.
Die in einem Sternpunkt 4 miteinander verbundenen Phasenstränge 1 bis 3 sind an ihrem dem Sternpunkt fernen Ende jeweils mit einer Spannungsversorgungsschaltung 5 verbunden, durch welche die elektrische Maschine nach dem Impulsweitenmodulationsverfahren betrieben wird.
Der Sternpunkt 4 ist verbunden mit einer das Potential bzw. die Spannung U am Sternpunkt 4 erfassenden Einrichtung 6, die ihrerseits mit einer Steuereinrichtung 7 in Verbindung steht, welche u.a. die Spannungsversorgung der elektrischen Maschine durch die Schaltung 5 steuert.
Die der Erfassung des Sternpunktpotentials dienende Einrichtung 6 ist ausgangsseitig verbunden mit einer Einrichtung 8, die, gesteuert durch die Einrichtung 7, Differenzen M zwischen Spannungswerten U bildet, welche die Spannungserfassungseinrichtung 6 als Ausgangswerte liefert.
Durch die Differenzbildungseinrichtung 8 ermittelte Spannungsdifferenzwerte sind einer Vergleichs- und Klassifizierungseinrichtung 9 zuführbar, welche aus den Spannungsdifferenzwerten M ein für die Drehlage des Rotors der elektrischen Maschine maßgebendes Drehwinkelintervall (i) innerhalb einer halben magnetischen Periode ΔΦ/2 ermittelt.
Eine mit den Einrichtungen 8 und 9 verbundene Berechnungseinrichtung 10 bestimmt dann die genaue Drehlage des Rotors innerhalb des Intervalls (i) der halben magnetischen Periode.
Gemäß 2 werden im Rahmen der Impulsweitenmodulation Betriebsspannungsimpulse 11 bis 13 z.B. einer Batteriespannung U_B in jedem Modulationszyklus (oder in ausgewählten Modulationszyklen) um Δt zeitverzögert an die jeweiligen Phasenstränge 1 bis 3 angelegt. Während des Zeitraums Δt durch die Schaltung 5 angelegte, von den Betriebsspannungsimpulsen 11 bis 13 getrennte Messspannungsimpulse 14 bis 16 sind zueinander zeitversetzt. Das Zeitintervall Δt ist so klein, dass sich die Drehlage des Rotors innerhalb dieses Intervalls praktisch nicht ändert.
Die Messspannungsimpulse 14 bis 16 erzeugen am Sternpunkt 4 entsprechend zeitversetzte Spannungssignale U1, U2 und U3, welche die mit der Erzeugung der Messspannungsimpulse 14 bis 16 durch die Steuereinrichtung 7 zeitgleich aktivierte Einrichtung 6 erfasst.
Entsprechend einer (weiter unten erläuterten) Abhängigkeit der Induktivität der Polwicklungen der Phasenstränge 1 bis 3 vom Drehwinkel Φ innerhalb einer halben magnetischen Periode ΔΦ/2 ergibt sich abhängig vom Drehwinkel Φ innerhalb der halben magnetischen Periode für die Spannungssignale U1, U2 und U3 jeweils ein periodischer, annähernd sinusförmiger Verlauf, wobei die drei Spannungssignale zueinander um 120° phasenverschoben sind.
Aus den Spannungssignalen U1, U2 und U3 bildet die Einrichtung 8 Differenzen M1 = U1 – U2, M2 = U2 – U3 und M3 = U3 – U1. Drei weitere mögliche Differenzen unterscheiden sich von diesen Differenzen nur im Vorzeichen.
Die Abhängigkeit dieser Differenzen vom Drehwinkel Φ ist in 3 dargestellt.
Auch die in 3 gezeigten, etwa sinusförmigen periodischen Kurven M1 (Φ), M2 (Φ) und M3 (Φ) sind um 120° zueinander phasenverschoben. Eine volle Periode dieser Kurven entspricht jeweils einer halben magnetischen Periode.
Wie 3 ferner zu entnehmen ist, ergeben sich innerhalb einer vollen Periode der Kurve M1 zwölf Intervalle i = 1 bis 12, für die gilt:
Durch Bestimmung des Vorzeichens dreier ermittelter Differenzwerte M1, M2 und M3 und durch Vergleich dieser Werte untereinander kann die Vergleichs- und Klassifi zierungseinrichtung 9 das Drehwinkelintervall (i) ermitteln, in welchem der Rotor gerade liegt.
Die genaue Berechnung der Drehlage innerhalb der Intervalle (i) durch die Einrichtung 10 erfolgt gestützt auf arcsin- oder/und arctan-Funktionen, die vorzugweise auf Differenzen der Potentialverläufe angewandt werden. Die Phasenveränderung und damit auch die Fortschaltung der Intervalle kann durch Beobachtung von Schaltzuständen ermittelt werden, die auch in der normalen Nutzbestromung vorkommen bzw. sich durch geringe Modifikation (zeitversetztes Ein- und Ausschalten) erzeugen lassen.
Der Drehwinkel Φ des Rotors lässt sich durch Zählung der durchlaufenen halben magnetischen Perioden ermitteln.
Die oben erwähnte Änderung der Induktivität der Polwicklungen der Phasenstränge 1 bis 3 beruht auf dem in 4a gezeigten Zusammenhang zwischen dem die Polwicklungen der Phasenstränge durchsetzenden Magnetfeld H des Läufers und dem sich in den Eisen enthaltenden Polwicklungen ergebenden Induktionsfeld B. Je nach Drehstellung des Rotors innerhalb einer halben magnetischen Periode ändert sich das durch das H-Feld der Permanentmagnete des Läufers erzeugte B-Feld in den Polwicklungen der Phasenstränge. Mit der Änderung des B-Feldes ändert sich auch die Steigung dB/dH, welche der Induktivität der Phasenstränge proportional ist. 4b zeigt die sich in Abhängigkeit vom H-Feld ergebende Induktivität L.
Am Sternpunkt wird die jeweils an einen der Phasenstränge 1 bis 3 angelegte Impulsspannung U_B geteilt, wobei sich je nach Drehlage des Rotors unterschiedliche Teilungsverhältnisse und damit unterschiedliche Potentiale am Standpunkt ergeben. Maßgebend für das Teilungsverhältnis sind der induktive Widerstand des jeweils mit der Spannung U_B beaufschlagten Phasenstrangs und der induktive Widerstand der Parallelschaltung der beiden anderen Phasenstränge. Aufgrund der Symmetrie der Kurve L(H) in bezug auf die L-Achse kann jedoch nicht unterschieden werden, ob die halbe magnetische Periode, innerhalb welcher die Rotordrehlage ermittelt wurde, durch einen Nordpol oder einen Südpol gebildet ist.
Um festzustellen, ob die halbe magnetische Periode einen Nord- oder Südpol betrifft, erfolgt in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgehend von der Kenntnis der Drehlage innerhalb der halben magnetischen Periode eine Bestromung der elektrischen Maschine durch Impulsweitenmodulation derart, dass der aus den Phasenstrangströmen resultierende, durch die Gesamtheit der Polwicklungen erzeugte Feldvektor H → bzw. B → eine erste, genau auf die Mitte, zwischen zwei Polen des Läuferfelds gerichtete Komponente und eine zweite, genau auf einen Pol des Läuferfeldes gerichtete Komponente gebildet ist. Bezogen auf die magnetische Periode des Läuferfeldes schließen die beiden Komponenten also einen Phasenwinkel von 90° ein. So erzeugt nur die erste Komponente ein Drehmoment, die zweite Komponente, die einen Blindstrom darstellt, liefert zum Drehmoment der elektrischen Maschinen keinen Beitrag.
Der zusätzliche Blindstrom sorgt jedoch für eine Veränderung des H-Feldes und damit auch des B-Feldes in den Polwicklungen der Phasenstränge. Wird angenommen, die Polwicklungen eines ausgewählten Phasenstranges des Rotors stehen vor einem Nordpol, so kann die zweite Stromkomponente z.B. so erzeugt werden, dass das die Polwicklungen durchsetzende H-Feld geschwächt wird und die Induktivität L dieser Polwicklungen entsprechend zunimmt, wenn diese Annahme zutrifft. Der „Arbeitspunkt" wandert dann im positiven Teil der Kurve L(H) in 4b nach links. War die Annahme falsch und die Polwicklungen stehen in Wirklichkeit vor einem Südpol, so führt dies zu einer Vergrößerung des Betrages des die Polwicklungen durchsetzenden Feldes. Der „Arbeitspunkt" wandert dann im negativen Teil der Kurve L(H) nach links. Die Induktivität L nimmt ab.
Die Abnahme oder Zunahme der Induktivität führt dazu, dass der aus den Signalen M1 bis M3 resultierende, mit dem Winkel Φ umlaufende Zeiger seiner Länge nach zu- oder abnimmt. Aus der Längenänderung lässt sich auf einen Nord- oder Südpol schließen.
Die Beobachtung eines längenveränderlichen Zeigers ließe sich auch im Rahmen der normalen Betriebsbestromung durch Impulsweitenmodulation ohne gesonderte Messspannungsimpulse 14 bis 16 durchführen.

Claims

Vorrichtung zur Gewinnung für die Steuerung der Bestromung elektrischer Maschinen verwendbare Information über den Zustand der Maschinen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die zur Gewinnung der Zustandsinformation ein durch Änderung der Induktivität von Polwicklungsphasensträngen der elektrischen Maschine infolge Stromfluss durch die Phasenstränge beeinflusstes Messsignal auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Induktivität der Polwicklungsphasenstränge (1–3) ändernde Strom ein im Rahmen der Bestromung der elektrischen Maschine fließender Strom oder ein durch die genannte Einrichtung erzeugter, gesonderter Strom ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Stromes derart vorgesehen ist, dass der Strom das Drehmoment der elektrischen Maschine nicht beeinflusst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom eine Komponente eines resultierenden Stromvektors ist, welche mit einer ein Drehmoment erzeugenden Komponente dieses Stromvektors, bezogen auf die magnetische Periode, einen Phasenwinkel von 90° einschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal durch eine Änderung des Verhältnisses der Induktivitäten der Polwicklungsphasenstränge (1–3) beeinflusst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal das Potential am Sternpunkt im Stern verschalteter Phasenstränge (1–3) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsinformation die Ausrichtung eines ausgewählten Phasenstrangs zum Nord- oder Südpol bzw., bei vielpoligen Maschinen, den Nord- oder Südpol des Magnetfeldes betrifft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine weitere Einrichtung, welche Spannungsimpulse an wenigstens einen der Polwicklungsphasenstränge (1–3) anlegt und zur Ermittlung der Drehlage des Rotors der elektrischen Maschine innerhalb einer halben magnetischen Periode durch die Spannungsimpulse (14–16) das am Sternpunkt im Stern verschalteter Phasenstränge (1–3) erzeugte Potential auswertet.