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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines
Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, in elektrischen Antrieben, insbesondere für Hybrid-
und Elektrofahrzeuge, permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) einzusetzen.
In einer derartigen Synchronmaschine wird ein magnetischer Fluss
durch Permanentmagnete aufgebracht, die sich im Rotor befinden.
Der magnetische Fluss nimmt mit steigender Temperatur des Rotors
kontinuierlich ab, was zur Folge hat, dass das von der Synchronmaschine
erzeugte Drehmoment bei gleichbleibender Leistungsaufnahme sinkt.
Darüber
hinaus ist zu beachten, dass die Permanentmagnete des Rotors nicht
einer zu hohen Temperatur ausgesetzt werden, die ohne gegenläufige Maßnahmen
sogar im normalen Fahrbetrieb eines die Synchronmaschine aufweisenden
Fahrzeugs erreicht werden könnte,
da dies zu dauerhaften Schäden
der Permanentmagnete führt.
Zum Schutz der Magnete muss daher sichergestellt sein, dass bei
Erreichen einer kritischen Magnettemperatur Gegenmaßnahmen
ergriffen werden, wie zum Beispiel das Reduzieren der Phasenströme der Synchronmaschine.
Aus alledem wird deutlich, dass die Temperatur des Rotors für eine geeignete
Betriebsführung
zu ermitteln ist. Diese Ermittlung ist angesichts des Rotors als
drehendes Bauteil relativ aufwändig,
wobei eine Temperaturermittlung mit vertretbarem Aufwand nur durch
indirekte Messung realisierbar ist.
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Es
ist bekannt, aus einer gemessenen Temperatur eines Stators der Synchronmaschine
auf die Rotortemperatur zu schließen. Hierbei wird in der Regel
ein konstantes Verhältnis
zwischen Stator- und Rotortemperatur vorausgesetzt. Ferner wird
unterstellt, dass der Rotor und die in ihm verbauten Permanentmagnete
die gleiche Temperatur besitzen. Diese bekannte Methode ist – insbesondere
bei transienten Vorgängen – stark fehlerbehaftet.
Um die vorstehend erwähnte
Magnetschädigung
aufgrund zu hoher Temperaturen zu verhindern, muss die kritische
Temperaturschwelle um einen maximal zu erwartenden Fehler bei der
Temperaturermittlung erniedrigt werden. Dies führt in vielen Betriebsfällen zu
einer verfrühten
Leistungsreduzierung des elektrischen Antriebs.
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Andere
bekannte Methoden nutzen bei generatorischem Betrieb der Synchronmaschine,
das heißt
bei Zuführung
eines Drehmomentes von außen
in die Synchronmaschine, die in deren Statorwicklungen induzierte
Spannung, welche direkt proportional zur Drehzahl des Rotors und
zur Größe des magnetischen
Flusses des Rotors ist. Aus dem magnetischen Fluss kann anschließend die
Temperatur errechnet werden. Nachteilig ist, dass zur Erfassung
der induzierten Statorspannung ein Spannungssensor eingesetzt werden
muss und während
der Messung kein elektrischer Strom der Synchronmaschine zugeführt oder
aus der Synchronmaschine abgeführt
werden darf. Ferner wird aus dem Vorstehenden deutlich, dass die
Temperatur nicht in beliebigen Betriebszuständen der Synchronmaschine,
sondern nur bei generatorischem Betrieb ermittelt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
ist eine Bestimmung der Temperatur eines ein magnetisches Rotorfeld
aufweisenden Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine möglich, wobei
die Synchronmaschine mit einem feldorientierten Stromregler ausgestattet
ist. Die Synchronmaschine weist einen Stator mit einer Statorwicklung
auf, die aus mindestens zwei Phasenwicklungen besteht. Zur Ermittlung
der Temperatur T des Rotors ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine elektrische
Maschinengleichung für
eine quer zur Rotorfeldrichtung verlaufende Komponente Usq eines Statorspannungsvektors Us in einem feldorientierten Koordinatensystem
aufgestellt wird, wobei die Maschinengleichung einen magnetischen
Fluss Ψ des
Rotors enthält,
und wobei die Komponente des Statorspannungsvektors Us durch
eine Spannungsstellgröße UsqCC des Stromreglers ersetzt oder mit Hilfe
der Spannungsstellgröße berechnet
und damit der magnetische Fluss Ψ bestimmt wird.
Aus dem magnetischen Fluss wird dann die Temperatur des Rotors bestimmt.
Die Abszisse des feldorientierten und damit rotorfesten Koordinatensystems
verläuft
in einer d-Richtung und die Ordinate in einer q-Richtung des feldorientierten
Koordinatensystems. Bei der elektrischen Maschinengleichung handelt
es sich um eine Spannungsgleichung der permanenterregten Synchronmaschine
im feldorientierten Koordinatensystem, wobei Gleichungen für zwei Komponenten
des Statorspannungsvektors Us, nämlich in
d- und in q-Richtung als Usd und Usq aufgestellt werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird lediglich die quer zur Rotorfeldrichtung verlaufende Komponente
Usq verwendet und nicht die Komponente Usd, die in Rotorfeldrichtung verläuft. Die
verwendete, die Komponente Usq aufweisende
Maschinengleichung enthält
unter Anderem den magnetischen Fluss des Rotors, der ein Maß für die Rotortemperatur
darstellt. Durch die erfindungsgemäße Erkenntnis, dass anstelle
der Komponente Usq des Statorspannungsvektors
Us die Spannungsstellgröße UsqCC des
Stromreglers der Synchronmaschine eingesetzt werden kann oder eine
entsprechende Berechnung durchgeführt werden kann, lässt sich
die genannte Maschinengleichung lösen, so dass der magnetische
Fluss Ψ und
daraus die Rotortemperatur T bestimmt werden können.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Maschinengleichung
für die
quer zur Rotorfeldrichtung verlaufende Komponente Usq des
Statorspannungsvektors Us wie folgt lautet: Usq = Rs·Isq + ω·Lsd·Isd + ω·Ψ,wobei
Rs der ohmsche Widerstand der Statorwicklung,
Isq die drehmomentbildende Komponente eines
Statorwicklungsstromvektors Is, ω die Kreisfrequenz
des Rotorfeldes und damit die elektrische Kreisfrequenz der Statorgrößen, Lsd die Längsinduktivität der Statorwicklung,
Isd die feldbildende Komponente des Statorwicklungsstromvektors
Is und Ψ der
magnetische Fluss des Rotors ist.
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Sofern
nicht anstelle der Komponente Usq des Statorspannungsvektors
die Spannungsstellgröße UsqCC des Stromreglers direkt gesetzt wird,
ist es alternativ auch möglich,
die Komponente des Statorspannungsvektors Us aus
einer maschinenspezifischen Funktion f wie folgt zu berechnen: Usq = f(UsqCC, ω, Is),wobei die Funktion f in Abhängigkeit
der Spannungsstellgröße UsqCC, der Kreisfrequenz ω und des gemessenen Statorwicklungsstromvektors
Is berechnet wird. Die Funktion f kann mit
Hilfe von Messungen zum Beispiel am Prüfstand aufgefunden werden.
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Die
Temperatur des Rotors steht – wie
bereits erwähnt – im Zusammenhang
mit dem magnetischen Fluss des Rotors. Dieser Zusammenhang wird über eine
Kennlinie und/oder ein Kennfeld bestimmt, das es demzufolge ermöglicht,
aus dem errechneten magnetischen Fluss des Rotors die Temperatur
des Rotors zu ermitteln.
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Die
zum Einsatz gelangende permanenterregte Synchronmaschine weist bestimmte
konstruktive Kenngrößen auf,
die sich aus dem Lastenheft oder dergleichen ergeben. Hierbei handelt
es sich beispielsweise um den ohmschen Widerstand der Statorwicklung
Rs und die Längsinduktivität Lsd der Statorwicklung. Da diese physikalischen
Kenngrößen bei
Verwendung der genannten elektrischen Maschinengleichung benötigt werden,
wird bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf diese bekannten Kenngrößen zurückgegriffen,
das heißt,
sie werden bei der Bestimmung der Temperatur als bekannte Größen verwendet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
Figur zeigt ein Schaltbild, das ein Verfahren zur Bestimmung der
Temperatur eines Rotors einer Synchronmaschine verdeutlicht.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die
Figur zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung eines Verfahrens zur
Bestimmung der Temperatur eines Rotors einer permanenterregten Synchronmaschine.
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Die
Figur erläutert
insgesamt einen Regelkreis 1, bei dem Sollwerte mit der
ergänzenden
Bezeichnung Des, Stellgrößen mit
der ergänzenden
Bezeichnung CC und Istwerte mit der ergänzenden Bezeichnung Act gekennzeichnet
sind. Es ist eine Sollwertberechnungsschaltung 2 vorgesehen,
die als Eingangsgrößen ein Drehmomentsollwert
TrqDes und als Stellgrößenbeschränkung für eine Statorspannung
einer permanenterregten Synchronmaschine einen Maximalwert UsMax
erhält.
Als Ausgangsgrößen liefert
die Sollwertberechnungsschaltung zwei Sollwerte IsdDes sowie IsqDes
für zwei
feldorientierte Statorwicklungsströme, wobei der Index d einen
feldbildenden Strom und der Index q einen drehmomentbildenden Strom
(Wirkstrom) kennzeichnet. Die beiden Sollwerte werden für einen
Soll-/Istwert-Vergleich jeweils einem Subtrahierer 3 beziehungsweise 4 zugeführt. Die
Ausgangsgröße der Substrahierer
werden einem Stromregler 5 zugeführt, der als Ausgangsgrößen Spannungsstellgrößen UsdCC
und UsqCC liefert, wobei der Index q einen Verlauf quer zur Rotorfeldrichtung
der Synchronmaschine und der Index d einen Verlauf in Richtung des
Rotorfeldes der Synchronmaschine kennzeichnet. Die beiden genannten
Spannungen werden als Eingangsgrößen einem
Ausgangstransformationsglied 6 zugeführt, das ferner eine Zwischenkreisspannung
UDC einer nicht dargestellten Leistungselektronikschaltung der Synchronmaschine
erhält.
Hier erfolgt eine Normierung der Spannungen mittels der Zwischenkreisspannung.
Ferner erhält
das Ausgangstransformationsglied 6 als Eingangsgröße den jeweils
aktuellen Rotorfeldwinkel RhoAct der Synchronmaschine und führt mittels
des Rotorfeldwinkels eine Transformation der Spannungsstellgrößen aus
dem feldorientierten Koordinatensystem durch. Die Ergebnisse werden
anschließend
einer Pulsweitenmodulation PWM und dann der permanenterregten Synchronmaschine PSM über eine
Umrichterschaltung zugeführt.
Umrichter und Synchronmaschine sind in der Figur mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet.
Als Ausgangswert des Bauglieds 7 steht das reale Ausgangsdrehmoment
der Synchronmaschine TrqAct, ein aktueller Statorphasenstrom IpAct
und der bereits erwähnte
Rotorwinkel RhoAct zur Verfügung.
Der Rotorwinkel RhoAct und der Statorphasenstrom IpAct werden einem
weiteren Transformationsglied, nämlich
einem Eingangstransformationsglied 8 für die Transformation des Statorphasenstroms
in das feldorientierte Koordinatensystem zugeführt. Dieses liefert die aktuellen
feldorientierten Statorwicklungsströme IsdAct und IsqAct, die jeweils
subtrahierend den Subtrahierern 3 beziehungsweise 4 zugeführt werden.
Die Indizes q und d bedeuten hierbei wieder drehmomentbildender
Strom (q) beziehungsweise feldbildender Strom (d).
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Der
in der Figur dargestellte prinzipielle Aufbau der Stromregelung
im feldorientierten Koordinatensystem arbeitet derart, dass die
Spannungsstellgrößen UsdCC
und UsqCC mittels des Ausgangstransformationsglieds über die
gemessene Zwischenkreisspannung UDC normiert und anschließend mit
dem gemessenen Rotorwinkel RhoAct in ein Dreiphasensystem transformiert
werden. Mit Hilfe des genannten Pulsweitenmodulationsverfahrens
werden über
den Umrichter die Phasenspannungen der permanenterregten Synchronmaschine
eingestellt.
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Bei
Vernachlässigung
aller Schalt- und Leitungsverluste gilt, dass die in Querrichtung
wirksame Spannungskomponente der eingeprägten Maschinenspannung gleich
der entsprechenden Ausgangsspannung des Stromreglers, also der Spannungsstellgröße ist.
Zur Verbesserung der Genauigkeit kann eine Funktion f eingeführt werden,
die spannungsstellgrößen-, kreisfrequenz-
und/oder stromabhängig
ist, wie dies aus der folgenden Gleichung ersichtlich ist. Usq = f(UsqCC, ω, Is)
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Dadurch
kann zum Einen der Spannungsabfall an den Leistungshalbleitern des
Umrichters und zum Anderen der Einfluss von Schalt- und Totzeiten
berücksichtigt
werden. Das Auffinden dieser Funktion f erfolgt beispielsweise mit
Hilfe von Messungen am Prüfstand.
Hierdurch wird der gesamte Betriebsbereichs des Antriebs durchlaufen.
Daran müssen
jeweils die regelungsinternen Größen Isd, Isq, UsdCC, UsqCC sowie ω sowie die geschalteten
Phasenspannungen mitgemessen werden. An die Messergebnisse kann
dann eine automatische Anpassung der Funktion f über geeignete Suchverfahren
erfolgen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung werden
die gesuchten Maschinengrößen der
Synchronmaschine, nämlich
magnetischer Fluss und Temperatur der Permanentmagneten des Rotors,
direkt aus zumindest einer der Spannungsgleichungen der Synchronmaschine
berechnet beziehungsweise hergeleitet. Dabei werden die aktuellen
Maschinenspannungen aus den Stellgrößen des inneren Stromreglers 5 ermittelt.
Dies hat den Vorteil, dass keine weiteren Sensoren zur Messung der
Maschinenspannungen erforderlich sind. Ferner kann das Verfahren
prinzipiell in beliebigen Betriebszuständen der Synchronmaschine angewendet
werden.
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Ausgangspunkt
für die
Ermittlung des magnetischen Flusses Ψ sind die nachfolgenden Maschinengleichungen
der Synchronmaschine im feldorientierten Koordinatensystem. Diese
sind in den nachfolgenden Gleichungen für die beiden Komponenten der
Statorspannung in d- und in q-Richtung Usd und
Usq dargestellt. Usd =Rs·Isd – ω·Lsq·Isq (1a) Usq = Rs·Isq + ω·Lsd·Isd + ω·Ψ (1b)mit
- Rs:
- Ohmscher Widerstand
der Statorwicklung
- Lsd,
Lsq:
- Längs- und Querinduktivität der Statorwicklung
- ω:
- el. Kreisfrequenz
der Statorgrößen
- Isd,
Isq:
- d- und q-Komponente
des transformierten Statorstroms
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Aus
Gleichung (1b) kann der gesuchte Fluss nun wie folgt berechnet werden:
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Dabei
können
die transformierten Statorwicklungsströme Isd und
Isq mit guter Genauigkeit aus den phasenbezogenen
Komponenten IpU und IpV des
gemessenen Statorphasenstroms ermittelt werden. Die elektrische
Kreisfrequenz ω wird
unmittelbar aus der gemessenen mechanischen Drehzahl berechnet.
Die beiden Maschinenparameter Rs und Lsd sind prinzipiell aus der Maschinenauslegung
bekannt. Zur Erhöhung
der Genauigkeit können
diese Parameter für
jeden Maschinentypen, das heißt
für jede
Baureihe, einmalig messtechnisch bestimmt werden. Dabei muss für die Statorinduktivität Lsd eine Kennlinie angelegt werden, die eine Stromabhängigkeit
berücksichtigt.
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Als
letzte unbekannte Größe zur Berechnung
von Ψ bleibt
noch die q-Komponente der Statorspannung Usq.
Diese kann aus der Ausgangsspannung des inneren Stromreglers UsqCC (CC: Current Control) berechnet werden.
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Bei
Kenntnis von Usq kann der Fluss Ψ nun direkt
aus Gleichung (2) ermittelt werden. Zusätzlich ist die Temperaturabhängigkeit
des magnetischen Flusses nach Gleichung (3) bekannt. Ψ =
f(T) (3)
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Diese
kann entweder aus dem Datenblatt des Magnetmaterials oder aus Messungen
bestimmt werden. Über
die zugehörige
Umkehrfunktion nach Gleichung (4) wird dann die Rotortemperatur
T berechnet. T = f–1(Ψ) (4)
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Damit
ist gezeigt, wie im Betrieb der Maschine sowohl der magnetische
Fluss als auch die Rotortemperatur unmittelbar aus messbaren Größen berechnet
werden können.
Hierdurch kann zum Einen das Magnetmaterial vor Überhitzung und damit vor einer
Entmagnetisierung optimal geschützt
werden, ohne dass der Betrieb des Antriebs frühzeitig eingeschränkt werden
muss. Zum Anderen wird bei genauer Kenntnis des magnetischen Flusses
auch die Genauigkeit des berechneten Drehmoments verbessert.
