DE102007053755A1

DE102007053755A1 - Verfahren und Einrichtung zur Überwachung einer Läufertemperatur einer permanent erregten elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102007053755A1
Application number: DE102007053755A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr. Schierling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Bei dem Verfahren zur Überwachung einer Läufertemperatur (delta) einer permanent erregten elektrischen Maschine (1) wird die Läufertemperatur (delta) mittels eines temperaturempfindlichen Elements (13), mit dem ein Läufer (5) der elektrischen Maschine (1) versehen ist, erfasst. Der Läufer (5) ist mit einer elektrischen Läuferwicklung (12) versehen. Eine elektrische Beschaltung der Läuferwicklung (12) wird in Abhängigkeit von der erfassten Läufertemperatur (delta) verändert. Ein während des Betriebs in einem Ständerwicklungssystem eines Ständers (3) der elektrischen Maschine (1; 14; 22) fließender Ständerstrom (iu, iv) wird in Abhängigkeit von der elektrischen Beschaltung der Läuferwicklung (12) verändert. Der Ständerstrom (iu, iv) wird erfasst und ausgewertet, um anhand des Ständerstroms (iu, iv) Informationen zu der Läufertemperatur (delta) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung einer Läufertemperatur einer permanent erregten elektrischen Maschine.
Bei bisher zur Läufertemperaturüberwachung eingesetzten Verfahren und Einrichtungen wird die Temperatur läuferseitig mittels eines Sensors, beispielsweise eines temperaturempfindlichen elektrischen Widerstands oder eines temperaturempfindlichen Bimetall-Schalters, erfasst. Das zugehörige Temperaturmesssignal wird mittels eines Schleifrings, eines Drehübertragers oder einer Funkverbindung von der Läuferseite auf die Ständerseite der elektrischen Maschine, bei der es sich z. B. um einen Elektromotor handeln kann, zu einer Auswerteeinheit übertragen. Dort erfolgt dann die Auswertung des Messsignals der Läufertemperatur, wobei insbesondere das Überschreiten eines Temperaturgrenzwerts überprüft wird, um bei Bedarf die erforderlichen Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise ein Abschalten der elektrischen Maschine, zu veranlassen. Für den Transfer der Temperaturinformation von der Läufer- auf die Ständerseite sind also gesonderte und teils auch aufwändige Übertragungsmittel erforderlich. Letztere können außerdem auch störanfällig sein und/oder einen gewissen Wartungsbedarf aufweisen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das einen einfachen Transfer der Temperaturinformation von der Läufer- auf die Ständerseite ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein solches, bei dem

a) die Läufertemperatur mittels mindestens eines temperaturempfindlichen Elements, mit dem ein Läufer der elektrischen Maschine versehen ist, erfasst wird,
b) der Läufer mit mindestens einer elektrischen Läuferwicklung versehen ist, und eine elektrische Beschaltung der Läuferwicklung in Abhängigkeit von der erfassten Läufertemperatur verändert wird,
c) ein während des Betriebs in einem Ständerwicklungssystem eines Ständers der elektrischen Maschine fließender Ständerstrom in Abhängigkeit von der elektrischen Beschaltung der Läuferwicklung verändert wird,
d) der Ständerstrom erfasst und ausgewertet wird, um anhand des Ständerstroms Informationen zu der Läufertemperatur zu ermitteln.

Die erfindungsgemäße temperaturabhängige Beschaltung der insbesondere zusätzlich zu Permanentmagneten auf dem Läufer vorgesehenen Läuferwicklung (= Zusatzwicklung) bewirkt eine temperaturabhängige Veränderung der Läuferinduktivität. Insbesondere wird die Läuferinduktivität bei Überschreiten eines Temperaturgrenzwertes durch eine entsprechende Änderung der Beschaltung der Läuferwicklung verändert. Die Beschaltungsänderung erfolgt vorzugsweise automatisch und insbesondere ohne, dass von der Ständerseite aus in irgendeiner Form, beispielsweise mittels der dort platzierten Steuerungseinheit der elektrischen Maschine, eingegriffen werden müsste.
Zwischen dem Läufer und dem Ständer besteht eine elektrodynamische bzw. elektromagnetische Wechselwirkung, die bei einer derartigen elektrischen Maschine prinzipiell stets gegeben ist. Insofern beeinflusst die Läuferinduktivität auch die auf der Ständerseite wirksame und von außen erfassbare Maschinen- bzw. Motorinduktivität und damit den im Ständerwicklungssystem fließenden Ständerstrom. Eine insbesondere nicht anderweitig, wie z. B. durch eine in der Steuerungseinheit eingestellte veränderte Ansteuerung, hervorgerufene Veränderung im Ständerstrom ist folglich ein Hinweis auf eine geänderte Läu ferinduktivität und damit auf eine signifikante Temperaturänderung im Läufer.
Grundsätzlich können auch mehrere Temperaturgrenzwerte vorgesehen sein, denen jeweils eine spezifische Beschaltung der Läuferwicklung und damit ein anderer Wert der Läuferinduktivität zugeordnet sein können. Weiterhin ist es möglich, die Läuferwicklung an ein elektrisches Netzwerk mit charakteristischem und im Messbereich eindeutigem Temperaturgang anzuschließen. So lassen sich abgestufte bzw. sogar auch kontinuierliche Temperaturinformationen zu der Ständerseite übermitteln.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt also vorteilhafterweise ohne gesonderte Übertragungsmittel für den Transfer der Temperaturinformation von der Läufer- auf die Ständerseite aus. Die Übertragung der Temperaturinformation erfolgt berührungslos und ohne galvanische Verbindung über die ohnehin vorhandene induktive Kopplung zwischen dem Läufer und dem Ständer. Es sind keine Schleifringe, keine Messsignal-Übertragungsleitungen, also kein drahtgebundener Übertragungskanal, aber auch kein extra eingerichteter Funkübertragungskanal oder dergleichen erforderlich. Dadurch lassen sich Fertigungs-, Montage-, Betriebs- und/oder Wartungskosten einsparen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Variante, bei der die elektrische Beschaltung der Läuferwicklung verändert wird, indem zwischen einer Leerlaufbeschaltung und einer Kurzschlussbeschaltung umgeschaltet wird. Diese Umschaltung erfolgt insbesondere, falls die erfasste Läufertemperatur einen Temperaturgrenzwert überschreitet. Leerlauf- oder Kurzschlussbeschaltung bedeutet dabei, dass sich die Läuferwicklung im leerlaufenden (= offenen) bzw. kurz geschlossenen Zustand befindet. Diese beiden Zustände lassen sich schaltungstechnisch einfach realisieren.
Außerdem unterscheiden sich die in diesen beiden Beschaltungszuständen jeweils insgesamt resultierenden Läuferinduktivitäten besonders stark voneinander, so dass die auf der Ständerseite dadurch bedingte Änderung im Ständerstrom sehr signifikant und damit einfach zu detektieren ist.
Als temperaturempfindliches Element kann vorzugsweise ein Thermoschalter verwendet werden. Damit lässt sich eine temperaturabhängige Umschaltung zwischen beispielsweise zwei Beschaltungsvarianten sehr einfach realisieren. Der Thermoschalter funktioniert außerdem vorzugsweise passiv, d. h. es wird keine Hilfsenergie für die Einleitung oder Durchführung des Umschaltvorgangs benötigt. Alternativ kann als temperaturempfindliches Element auch ein Heißleiter zum Einsatz kommen.
Weiterhin ist es vorzugsweise möglich, als temperaturempfindliches Element einen an eine Sensorelektronik angeschlossenen Temperatursensor zu verwenden, wobei die Änderung der Beschaltung der Läuferwicklung mittels eines von der Sensorelektronik angesteuerten Schaltelements vorgenommen wird. Die Sensorelektronik und das Schaltelement sind am oder im Läufer angeordnet und bewegen sich mit dem Läufer mit. Mittels der Sensorelektronik kann der Umschaltvorgang für die Beschaltungsänderung genau gesteuert und überwacht werden. Die Einleitung des Umschaltvorgangs erfolgt sehr präzise, wenn die hierfür insbesondere vorgebbaren Temperaturbedingungen erfüllt sind. Mit Vorteil lässt sich außerdem eine zwischen zwei offenen Wicklungsanschlüssen der Läuferwicklung während des Betriebs der elektrischen Maschine anstehende, insbesondere induzierte elektrische Spannung zur Energieversorgung der Sensorelektronik abgreifen. Die Sensorelektronik wird dann autark und vor allem auch wartungsfrei betrieben. Ein Austausch einer Batterie, die grundsätzlich zur Energieversorgung der Sensorelektronik ebenfalls geeignet wäre, erübrigt sich so.
Gemäß einer anderen günstigen Variante wird für die Läuferwicklung ein Läuferwicklungsquerschnitt von höchstens 10% eines Ständerwicklungsquerschnitts einer Ständerwicklung des Ständerwicklungssystems verwendet. Insbesondere, wenn die Läuferwicklung im normalen, d. h. thermisch nicht überlasteten Betriebszustand im Leerlauf betrieben wird, ist die Läuferwicklung fast immer stromfrei. Zu einem Stromfluss kommt es nur, wenn infolge einer erfassten zu hohen Läufertemperatur die Beschaltung geändert worden ist. Dieser Zustand dauert aber nur kurze Zeit, beispielsweise nur wenige Millisekunden, da dann aufgrund der auch ständerseitig erkannten thermischen Läuferüberlastung eine geeignete Gegenmaßnahme, beispielsweise ein Notstopp, eingeleitet werden kann.
Vorzugsweise wird außerdem ein Oberwellenanteil des erfassten Ständerstroms oder des erfassten und koordinatentransformierten Ständerstroms untersucht, insbesondere daraufhin, ob eine Veränderung in diesem Oberwellenanteil eingetreten ist. Eine Beschaltungsänderung der Läuferwicklung, also eine Änderung der Läuferinduktivität, beeinflusst die auf der Ständerseite wirksame und von außen erfassbare Maschinen- bzw. Motorinduktivität hauptsächlich bei höheren Frequenzen, insbesondere bei Oberwellen einer durch eine aktuelle Drehzahl oder Bewegungsrate der elektrischen Maschine bestimmten Grundfrequenz. Bei der Grundfrequenz ist der Einfluss auf die ständerseitig wirksame Maschinen- bzw. Motorinduktivität dagegen praktisch zu vernachlässigen. Somit tritt auch im erfassten Ständerstrom eine läufertemperaturbedingte Änderung hauptsächlich bei höheren Frequenzen, insbesondere bei den Oberwellen bzw. Vielfachen einer Schaltfrequenz des Umrichters, auf. Eine typische Schaltfrequenz liegt bei 4 kHz. Dementsprechend wird untersucht, ob in einem Frequenzbereich bei einem Vielfachen von 4 kHz eine signifikante Veränderung des erfassten Ständerstroms oder des erfassten und koordinatentransformierten Ständerstroms festzustellen ist.
Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird der erfasste Ständerstrom oder der erfasste und koordinatentransformierte Ständerstrom einer Frequenzfilterung unterzogen. Dadurch kann die folgende Auswertung auf gerade den Frequenzanteil des Ständerstroms konzentriert werden, in dem läufertemperaturbedingte Änderungen besonders deutlich zutage treten. Dies verbessert die Auswertegenauigkeit.
Günstig ist weiterhin eine Variante, bei der das Ständerwicklungssystem mit einem insbesondere hochfrequenten Testsignal beaufschlagt wird. Hochfrequent bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Frequenzanteile des Testsignals möglichst nahe an der Schaltfrequenz oder sogar auch darüber liegen. Beispielsweise umfasst ein solches Testsignal mindestens Frequenzen von bis zu ¼ oder ½ der Schaltfrequenz. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen wird ein der elektrischen Maschine vorgeschalteter Umrichter mit niedrigem Aussteuergrad betrieben. Dann weist der Ständerstrom die höheren Frequenzanteile bzw. die Oberwellen, bei denen läufertemperaturbedingte Änderungen besonders deutlich zutage treten, nicht in nennenswertem Umfang und/oder nur mit sehr geringer Amplitude auf. Um die Temperaturüberwachung des Läufers auch in diesem Betriebszustand mit hoher Genauigkeit durchzuführen, werden die für die Auswertung besonders günstigen höheren Frequenzanteile mittels des Testsignals gezielt hervorgerufen. Das Testsignal umfasst insbesondere diese höheren Frequenzanteile bzw. Oberwellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die einen einfachen Transfer der Temperaturinformation von der Läuferauf die Ständerseite ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 10. Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst

a) mindestens ein zur Erfassung der Läufertemperatur vorgesehenes temperaturempfindliches Element, mittels dessen ein Läufer der elektrischen Maschine versehen ist,
b) mindestens eine am Läufer vorgesehene elektrische Läuferwicklung, wobei eine elektrische Beschaltung der Läufer wicklung in Abhängigkeit von der erfassten Läufertemperatur veränderbar ist,
c) Stromerfassungsmittel zur Erfassung eines in einem Ständerwicklungssystem eines Ständers der elektrischen Maschine fließenden Ständerstroms, und
d) eine den erfassten Ständerstrom auswertende Auswerteeinheit, die zur Ermittlung von Informationen zu der Läufertemperatur anhand des Ständerstroms ausgelegt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus den von Anspruch 10 abhängigen Ansprüchen. Die erfindungsgemäße Einrichtung und ihre Ausgestaltungen bieten im Wesentlichen die gleichen Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dessen Varianten beschrieben worden sind.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer läufertemperaturüberwachten elektrischen Maschine mit temperaturabhängig beschaltbaren Läuferwicklungen und Thermoschaltern,
2 ein Schaltbild mit der elektrischen Verschaltung der Läuferwicklungen und der Thermoschalter gemäß 1,
3 ein Ausführungsbeispiel läufertemperaturüberwachten elektrischen Maschine mit temperaturabhängig beschaltbaren Läuferwicklungen, Temperatursensor und Sensorelektronik,
4 ein Blockschaltbild mit den Läuferwicklungen, dem Temperatursensor und der Sensorelektronik gemäß 3,
5 ein Ausführungsbeispiel einer Temperaturüberwachungseinrichtung für eine permanent erregte elektrische Maschine mit ständerseitig angeschlossener Auswerteeinheit, und
6 und 7 Diagramme mit über einer Ansteuerspannung aufgetragenen Verläufen einer Oberwelle eines Ständerstroms bei unterschiedlicher Beschaltung der Läuferwicklung ohne bzw. mit Einspeisung eines Testsignals.
Einander entsprechende Teile sind in 1 bis 7 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 1 mit einer Überwachungseinrichtung 2 für eine Läufertemperatur δ gezeigt. Die elektrische Maschine 1 ist ein als permanent erregter Synchronmotor ausgeführter Elektromotor. Sie umfasst einen Ständer 3 mit einem nicht näher dargestellten Ständerwicklungssystem und einen innerhalb des Ständers 3 um eine Drehachse 4 drehantreibbar gelagerten Läufer 5. Der Läufer 5 ist wie bei einem permanent erregten Synchronmotor üblich mit Permanentmagneten 6 versehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen zweipoligen Synchronmotor mit insgesamt zwei Permanentmagneten 6. Dies ist aber nicht einschränkend zu verstehen. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Permanentmagnete 6 vorgesehen sein. Die Permanentmagnete 6 sind gleichmäßig in Umfangsrichtung des Läufers 5 verteilt angeordnet und erzeugen einen Erregerfluss in Richtung einer senkrecht zur Drehachse 4 orientierten Erregerachse 7. Die Erregerachse 7 wird auch als d-Achse bezeichnet. Sie ist Teil eines mit dem Läufer 5 mit rotierenden kartesischen d, q-Koordinatensystems.
Das Ständerwicklungssystem ist mittels eines dreisträngigen elektrischen Anschlusses 8 an eine Umrichter-Leistungseinheit 9 angeschlossen. Eine Motorregelungseinheit 10, die beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 auf einem Stromregler basiert, steuert die Umrichter-Leistungseinheit 9 so an, dass letztere die für den aktuell gewünschten Betriebszustand der elektrischen Maschine 1 benötigten Strangspannungen an den drei Wicklungssträngen des Anschlusses 8 bzw. des Ständerwicklungssystems einstellt. Weiterhin sind nicht näher dargestellte Stromerfassungsmittel vorgesehen, die Ständerströme i_v und i_u an zwei der drei Wicklungsstränge erfassen und deren erfasste Messsignale der Motorregelungseinheit 10 als Istwerte oder zur Ermittlung der Istwerte per Koordinatentransformation zur Verfügung stellen.
Die von den Stromerfassungsmitteln erfassten Messsignale der Ständerströme i_v und i_u werden auch einer Auswerteeinheit 11 (siehe 5) der Überwachungseinrichtung 2 zugeführt. Insofern sind die für die Motorregelung ohnehin vorgesehenen Stromerfassungsmittel zugleich auch Bestandteil der Überwachungseinrichtung 2.
Die Überwachungseinrichtung 2 umfasst außerdem zwei Läuferwicklungen 12 sowie zwei Thermoschalter 13. Die Läuferwicklungen 12 sind Zusatzwicklungen, die bei üblichen permanent erregten Synchronmotoren nicht vorgesehen sind. Sie sind beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 in der Erregerachse 7 angeordnet, d. h. sie umgeben die Erregerachse 7 und ihre Wicklungsebene ist senkrecht zur Erregerachse 7 orientiert. Andere Orientierungen der Läuferwicklungen 12 sind aber prinzipiell ebenfalls möglich. Ein Wicklungsquerschnitt der Läuferwicklung 12 beträgt etwa 1% bis 5% des im Ständerwicklungssystem vorgesehenen Wicklungsquerschnitts.
Die elektrische Verschaltung der Läuferwicklungen 12 und der Thermoschalter 13 ist aus 2 ersichtlich. Jeder Läuferwicklung 12 ist einer der Thermoschalter 13 zugeordnet. Der jeweilige Thermoschalter 13 ist zwischen die beiden Wicklungsanschlüsse der zugehörigen Läuferwicklung 12 geschaltet. Außerdem sind die beiden Läuferwicklungen 12 auch miteinander verbunden, so dass alle vier Komponenten, also die beiden Läuferwicklungen 12 und die beiden Thermoschalter 13, parallel zueinander geschaltet sind. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind zwei Thermoschalter 13 vorgesehen. Dies ermöglicht eine unabhängige Überwachung von zwei Stellen am Läufer 5. Grundsätzlich kann aber auch nur einer der Thermoschalter 13 vorgesehen sein. Da in der Regel beide Permanentmagnete 6 gleich belastet sind, reicht auch nur ein temperaturempfindliches Element zur thermischen Überwachung aus.
Im Folgenden werden die Wirkungsweise und besondere Vorteile der Überwachungseinrichtung 2 näher erläutert.
Die Thermoschalter 13 erfassen und überwachen die Läufertemperatur δ. Überschreitet diese einen Temperaturgrenzwert, schalten die Thermoschalter 13 von dem in 2 gezeigten ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand um. Dies erfolgt automatisch. Eine Hilfsenergie ist hierfür nicht erforderlich. Ausschlaggebend ist einzig die überwachte Läufertemperatur δ. Aufgrund der Umschaltung ändert sich die Beschaltung der Läuferwicklungen 12. Im ersten Schaltzustand der Thermoschalter 13 sind die Wicklungsanschlüsse der Läuferwicklungen 12 offen. Die Läuferwicklungen 12 werden dann im Leerlauf betrieben und sind stromfrei. Beide Läuferwicklungen 12 sind insbesondere so angeordnet, dass sie vom gleichen magnetischen Fluss durchsetzt werden. Damit sind auch ihre elektrischen Spannungen gleich. Bei der gezeigten Parallelschaltung fließt folglich kein (Ausgleichs-)Strom. Im zweiten Schaltzustand zumindest eines der Thermoschalter 13 sind beide Läuferwicklungen 12 kurzgeschlossen.
Die temperaturbedingte Umschaltung der Thermoschalter 13 verändert neben der Beschaltung der Läuferwicklungen 12 auch die durch die Läuferwicklungen 12 bewirkte Läuferinduktivität. Aufgrund der induktiven Kopplung zwischen dem Läufer 5 und dem Ständer 3 beeinflusst die Läuferinduktivität auch die am elektrischen Anschluss 8 wirksame Motorinduktivität und damit den Stromfluss im Ständerwicklungssystem. Die beschriebene temperaturbedingte Beschaltungsänderung der Läuferwicklungen 12 schlägt sich also ebenfalls in einer Änderung ständerseitig einfach zu erfassender Betriebsgrößen, z. B. der Motorinduktivität oder der Ständerströme i_u und i_v, nieder. Folglich enthalten diese Betriebsgrößen auch eine Läufertemperaturin formation, die berührungslos mittels induktiver Kopplung vom Läufer 5 zum Ständer 3 übertragen wird. Für diese Übertragung der Läufertemperaturinformation braucht im Läufer 5 vorteilhafterweise keine Leistung zur Verfügung gestellt werden. Die Thermoschalter 13, die die Läuferinduktivität auf rein passive Weise ändern, genügen vollkommen als Stellglieder im Läufer 5.
Eine im Folgenden noch näher erläuterte Auswertung der Messsignale der ständerseitigen Betriebsgrößen auf signifikante Änderungen liefert die gesuchte Information über den thermischen Zustand des Läufers 5. Eine thermische Überlastung wird so rechtzeitig erkannt. Die elektrische Maschine 1 kann vor einer ansonsten drohenden Zerstörung abgeschaltet werden.
In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer ebenfalls temperaturüberwachten und wiederum als permanent erregter Synchronmotor ausgeführten elektrischen Maschine 14 gezeigt. Auch sie umfasst eine Überwachungseinrichtung 15 zur Erfassung der Läufertemperatur δ. Der wesentliche Unterschied zur elektrischen Maschine 1 gemäß 1 besteht in der läuferseitigen Ausgestaltung der Überwachungseinrichtung 15. Deshalb ist in 3 die externe Beschaltung der elektrischen Maschine 14 nicht mit dargestellt. Sie ist identisch zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
Die Überwachungseinrichtung 15 umfasst läuferseitig neben den beiden Läuferwicklungen 12 mindestens einen Temperatursensor 16, eine Sensorelektronik 17 und ein Schaltelement 18 (siehe 4). Grundsätzlich können beliebig viele temperaturkritische Stellen des Läufers 5 überwacht werden. An jeder Stelle ist dann ein gesonderter, an die angeschlossene Sensorelektronik 17 Temperatursensor 16 vorgesehen. Alle vorstehend genannten Komponenten rotieren mit dem Läufer 5 mit. Die Sensorelektronik 17 und ein Schaltelement 18 sind beim Ausführungsbeispiel an einer Stirnseite des Läufers 5 angebracht.
Die elektrische Verschaltung der vorstehend aufgezählten läuferseitigen Komponenten der Überwachungseinrichtung 15 geht aus dem Blockschaltbild gemäß 4 hervor. Der beispielsweise als temperaturempfindlicher elektrischer Widerstand ausgeführte Temperatursensor 16 ist zur Auswertung des von ihm erfassten Messsignals der Läufertemperatur δ an die Sensorelektronik 17 angeschlossen. Zwischen der Sensorelektronik 17 und dem Schaltelement 18 besteht eine steuernde Verbindung, mittels derer die Sensorelektronik 17 das Schaltelement 18 je nach Ergebnis der Messsignalauswertung zur Umschaltung veranlassen kann. Das Schaltelement 18 ist zwischen zwei Wicklungsanschlüsse 19 und 20 der beiden Läuferwicklungen 12 geschaltet. Die Läuferwicklungen 12 und das Schaltelement 18 sind also wiederum parallel zueinander geschaltet.
Im Gegensatz zu den passiv funktionierenden Thermoschaltern 13 gemäß 1 und 2 benötigt zumindest die Sensorelektronik 17 eine Energieversorgung. Deshalb umfasst die Überwachungseinrichtung 15 auch eine läuferseitig angeordnete Energieversorgungseinheit 21, die wie das Schaltelement 18 an die beiden Wicklungsanschlüsse 19 und 20 angeschlossen ist. Während des Betriebs der elektrischen Maschine 14 steht bei offenem Schaltelement 18 zwischen diesen beiden Wicklungsanschlüssen 19 und 20 eine induzierte elektrische Spannung an, die von der Energieversorgungseinheit 21 abgegriffen und zur Energiespeisung der Sensorelektronik 17 verwendet wird. Hierzu umfasst die Energieversorgungseinheit 21 nicht näher dargestellte Komponenten, wie einen Gleichrichter und ein Speicherelement z. B. in Form eines Speicherkondensators.
Die Überwachungseinrichtung 15 verändert bei einer erkannten zu hohen Läufertemperatur δ über das dementsprechend von der Sensorelektronik 17 angesteuerte Schaltelement 18 die Beschaltung der Läuferwicklungen 12. Die Beschaltung sieht bei Normalbetrieb offene, d. h. leerlaufende Wicklungsanschlüsse 19 und 20 vor, wohingegen bei einem erkannten thermischen Überlastfall die Wicklungsanschlüsse 19 und 20 mittels des Schaltelements 18 kurzgeschlossen werden. Vom Ständer 3 aus betrachtet verhalten sich die Überwachungseinrichtungen 2 und 15 also genau gleich. Bezüglich der Kopplung der Temperaturinformation vom Läufer 5 zum Ständer 3 und die Erfassung der ständerseitigen Betriebsgrößen wird deshalb auf die vorstehenden Ausführungen zum Beispiel gemäß 1 und 2 verwiesen.
Die im Folgenden anhand von 5 bis 7 näher erläuterte Auswertung der erfassten Ständerströme i_u und i_v gilt gleichermaßen für die beiden Ausführungsbeispiele gemäß 1 und 2 einerseits sowie gemäß 3 und 4 andererseits.
Dementsprechend ist in 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer temperaturüberwachten permanent erregten elektrischen Maschine 22 mit einer Überwachungseinrichtung 23 zur Erfassung der Läufertemperatur δ gezeigt. Die läuferseitige Ausgestaltung der Überwachungseinrichtung 23 ist in 5 nicht näher gezeigt. Sie kann entweder der gemäß 1 und 2 oder der gemäß 3 und 4 entsprechen.
Auf der Ständerseite ist die zur Auswertung der erfassten Messsignale der Ständerströme i_u und i_v bestimmte Auswerteeinheit 11 der Hauptbestandteil der Überwachungseinrichtung 23. Die Auswerteeinheit 11 umfasst eingangsseitig ein Hochpassfilter 24 sowie eine eigentliche Temperaturdetektionseinheit 25, die dem Hochpassfilter 24 nachgeschaltet ist. Anstelle des Hochpassfilters 24 kann grundsätzlich auch eine andere vorverarbeitende Einheit, beispielsweise ein Bandpassfilter oder eine Einheit zur Spitzenwertauswertung, vorgesehen sein. Die Temperaturdetektionseinheit 25 ist auch an die in 5 nicht dargestellte Motorregelungseinheit 10 angeschlossen. Von dort wird ihr ein aktueller Wert einer Ständerspannung u, mit der die Umrichter-Leistungseinheit 9 von der Motorregelungseinheit 10 angesteuert wird, zur Verfügung gestellt. Die Auswerteeinheit 11 steht weiterhin mit der Umrichter-Leistungseinheit 9 mittels einer Steuerleitung 26 in Verbindung.
Für die Auswertung sind in erster Linie die höher frequenten Anteile der Ständerströme i_u und i_v, insbesondere deren Oberwellen, von Interesse. Die läuferseitige Beschaltungsänderung (= Kurzschluss) der Läuferwicklungen 12 beeinflusst nämlich die ständerseitig wirksame und erfassbare Motorinduktivität hauptsächlich bei diesen höheren Frequenzen. Demgegenüber ist der Einfluss bei der durch die aktuelle Drehzahl bestimmten Grundfrequenz eher gering. Das Hochpassfilter 24 extrahiert die relevanten hochfrequenten Signalanteile aus den erfassten Messsignalen der Ständerströme i_u und i_v und stellt sie der Temperaturdetektionseinheit 25 als Strom-Oberwellenanteil i_OS zur weiteren Bearbeitung zur Verfügung.
Es hat sich gezeigt, dass der Betrag des Strom-Oberwellenanteils i_OS signifikant ansteigt, wenn die Läuferwicklungen 12 bei Überschreiten einer vorgebbaren kritischen Läufertemperatur vom offenen in den kurzgeschlossenen Zustand umgeschaltet werden. Die jeweiligen Werte des Strom-Oberwellenanteils i_OS hängen dabei auch vom aktuellen Aussteuergrad der elektrischen Maschine 22, also von der aktuellen Ständerspannung u, ab. In der Temperaturdetektionseinheit 25 wird deshalb überprüft, ob der Strom-Oberwellenanteil i_OS über einem für die jeweils aktuelle Ständerspannung u geltenden Grenzwert liegt. Falls ja, wird daraus gefolgert, dass der Läufer 5 thermisch überlastet ist. Bei Bedarf können dann Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Insbesondere kann mittels eines über die Steuerleitung 26 an die Umrichter-Leistungseinheit 9 übermittelten Impulssperr-Befehls eine Abschaltung der elektrischen Maschine 22 veranlasst werden.
In 6 ist ein Diagramm dargestellt, in dem der Betrag des Strom-Oberwellenanteils i_OS bei offenen (siehe gestrichelte Kurve 27) und bei kurzgeschlossenen (siehe strichpunktiert Kurve 28) Läuferwicklungen 12 über der Ständerspannung u aufgetragen ist. Mit eingetragen ist in durchgezogener Linienführung eine zwischen den Kurven 27 und 28 verlaufende Grenzwert-Kurve 29. Sie enthält die Grenzwerte, deren Über- oder Unterschreiten geprüft wird. Die Grenzwert-Kurve 29 ist in geeigneter Form, beispielsweise tabellarisch, als Polygonzug oder mittels anderer funktionaler Zusammenhänge, in der Temperaturdetektionseinheit 25 abgespeichert.
Wie aus dem Diagramm gemäß 6 ersichtlich, funktioniert die beschriebene Grenzwert-Prüfung vor allem bei größeren Aussteuergraden, d. h. höheren Motor-Drehzahlen bzw. höheren Ständerspannungen u, sehr gut. In diesen Betriebszuständen erzeugt die Umrichter-Leistungseinheit 9 aufgrund der gepulsten bzw. schaltenden Arbeitsweise automatisch Strom-Oberwellenanteile i_OS in einem auswertbaren Umfang. Bei niedrigen Aussteuergraden sind die von der Umrichter-Leistungseinheit 9 erzeugten Strom-Oberwellenanteile i_OS dagegen sehr gering, so dass deren Auswertung zu Fehlern führen könnte.
Um dies zu vermeiden, kann bei niedrigen Aussteuergraden gezielt ein hochfrequentes Testsignal in das Ständerwicklungssystem eingespeist werden, so dass es zur Ausbildung eines größeren und somit auswertbaren Strom-Oberwellenanteils i_OS kommt. Dabei wird das Testsignal so gewählt, dass es im Läufer 5 in der gleichen Orientierung wirksam ist, in der auch die temperaturabhängig beschaltbaren Zusatzwicklungen 12 angeordnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 wird das Testsignal also in der Erregerachse 7 aufgebracht. Der Einfluss des Testsignals im Läufer 5 lässt sich vorab, z. B. in der Motorregelungseinheit 10 oder in der Auswerteeinheit 11, mittels einer Transformation in das mitrotierende d, q-Koordinatensystem des Läufers 5 ermitteln.
In 7 ist ein Diagramm mit modifizierten Kurven 30 und 31 des Strom-Oberwellenanteils i_OS bei offenen bzw. kurzgeschlossenen Läuferwicklungen 12 und mit einer modifizierten Grenzwert-Kurve 32 dargestellt. Die Kurven 30 bis 32 berücksichtigen den Einfluss des bei niedrigen Aussteuergraden (= niedrigen Ständerspannungen u) eingespeisten Testsignals. Die modifizierte Grenzwert-Kurve 32 ist wiederum in der Temperaturdetektionseinheit 25 hinterlegt.
Die vorstehend beschriebene Auswertung der Temperaturinformation kann auf verschiedene Weise erfolgen. Sie hängt u. a. auch davon ab, ob die Motorregelung auf Basis von Betriebsgrößen des Ständerkoordinatensystems oder des Läuferkoordinatensystems erfolgt. In 5 ist die auf dem Ständerkoordinatensystem basierende Variante dargestellt. Die auf das Läuferkoordinatensystem gestützte Variante unterscheidet sich hiervon nicht grundsätzlich. Sie umfasst lediglich zu Beginn der Auswertung eine zusätzliche Koordinatentransformation der erfassten Ständerströme i_u und i_v.

Claims

Verfahren zur Überwachung einer Läufertemperatur (δ) einer permanent erregten elektrischen Maschine (1; 14; 22), wobei a) die Läufertemperatur (δ) mittels mindestens eines temperaturempfindlichen Elements (13; 16), mit dem ein Läufer (5) der elektrischen Maschine (1; 14; 22) versehen ist, erfasst wird, b) der Läufer (5) mit mindestens einer elektrischen Läuferwicklung (12) versehen ist, und eine elektrische Beschaltung der Läuferwicklung (12) in Abhängigkeit von der erfassten Läufertemperatur (δ) verändert wird, c) ein während des Betriebs in einem Ständerwicklungssystem eines Ständers (3) der elektrischen Maschine (1; 14; 22) fließender Ständerstrom (i_u, i_v) in Abhängigkeit von der elektrischen Beschaltung der Läuferwicklung (12) verändert wird, d) der Ständerstrom (i_u, i_v) erfasst und ausgewertet wird, um anhand des Ständerstroms (i_u, i_v) Informationen zu der Läufertemperatur (δ) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Beschaltung der Läuferwicklung (12) verändert wird, indem zwischen einer Leerlaufbeschaltung und einer Kurzschlussbeschaltung umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturempfindliches Element ein Thermoschalter (13) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturempfindliches Element ein an eine Sensorelektronik (17) angeschlossener Temperatursensor (16) verwendet wird, wobei die Änderung der Beschaltung der Läuferwicklung (12) mittels eines von der Sensorelektronik (17) angesteuerten Schaltelements (18) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen zwei offenen Wicklungsanschlüssen (19, 20) der Läuferwicklung (12) während des Betriebs der elektrischen Maschine (1; 14; 22) anstehende elektrische Spannung zur Energieversorgung der Sensorelektronik (17) abgegriffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Läuferwicklung (12) ein Läuferwicklungsquerschnitt von höchstens 10% eines Ständerwicklungsquerschnitts einer Ständerwicklung des Ständerwicklungssystems verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberwellenanteil (i_OS) des erfassten Ständerstroms (i_u, i_v) oder des erfassten und koordinatentransformierten Ständerstroms untersucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Ständerstrom (i_u, i_v) oder der erfasste und koordinatentransformierte Ständerstrom einer Frequenzfilterung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ständerwicklungssystem mit einem Testsignal beaufschlagt wird.
Einrichtung zur Überwachung einer Läufertemperatur (δ) einer permanent erregten elektrischen Maschine (1; 14; 22) umfassend a) mindestens ein zur Erfassung der Läufertemperatur (δ) vorgesehenes temperaturempfindliches Element (13; 16), mittels dessen ein Läufer (5) der elektrischen Maschine (1; 14; 22) versehen ist, b) mindestens eine am Läufer (5) vorgesehene elektrische Läuferwicklung (12), wobei eine elektrische Beschaltung der Läuferwicklung (12) in Abhängigkeit von der erfassten Läufertemperatur (δ) veränderbar ist, c) Stromerfassungsmittel zur Erfassung eines in einem Ständerwicklungssystem eines Ständers (3) der elektrischen Maschine (1; 14; 22) fließenden Ständerstroms (i_u, i_v), und d) eine den erfassten Ständerstrom (i_u, i_v) auswertende Auswerteeinheit (11), die zur Ermittlung von Informationen zu der Läufertemperatur (δ) anhand des Ständerstroms (i_u, i_v) ausgelegt ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbare Beschaltung der Läuferwicklung (12) eine Leerlaufbeschaltung und eine Kurzschlussbeschaltung umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturempfindliche Element ein Thermoschalter (13) ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturempfindliche Element ein an eine Sensorelektronik (17) angeschlossener Temperatursensor (16) ist und zur Änderung der Beschaltung der Läuferwicklung (12) ein von der Sensorelektronik (17) angesteuertes Schaltelement (18) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieversorgung der Sensorelektronik (17) eine mittels einer zwischen zwei offenen Wicklungsanschlüssen (19, 20) der Läuferwicklung (12) während des Betriebs der elektrischen Maschine (1; 14; 22) abgreifbaren elektrischen Spannung gespeisten Energieversorgungseinheit (21) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferwicklung (12) einen Läuferwicklungsquerschnitt von höchstens 10% eines Ständerwicklungsquerschnitts einer Ständerwicklung des Ständerwicklungssystems hat.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (11) zur Untersuchung eines Oberwellenanteils (i_OS) des erfassten Ständerstroms (i_u, i_v) oder des erfassten und koordinatentransformierten Ständerstroms ausgelegt ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzfilter (24) zur Frequenzfilterung des erfassten Ständerstroms (i_u, i_v) oder des erfassten und koordinatentransformierten Ständerstroms vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quelle zur Einspeisung eines Testsignals in das Ständerwicklungssystem vorgesehen ist.