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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl einer
elektrischen Maschine, die generatorisch betrieben wird und dabei
eine elektrische Spannung erzeugt, aus der die Drehzahl unter Berücksichtigung
mindestens eines Parameters bestimmt wird.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, elektrische Maschinen zur Drehzahlermittlung ihres
Rotors generatorisch zu betreiben. Dies bedeutet, dass die elektrische
Maschine eine Spannung durch Induktion erzeugt, die ein Maß für die Drehzahl
des Rotors ist. Der Zusammenhang zwischen den beiden Größen (Spannung, Drehzahl)
wird im Stand der Technik mittels eines Faktors K hergestellt, der
für die
Drehzahlermittlung mit der induzierten Spannung multipliziert wird.
Dabei ist der Faktor K eine Maschinenkonstante, die beispielsweise
aus der Konstruktion bekannt ist oder durch Messungen an der elektrischen
Maschine ermittelt wurde. Dieser lineare Zusammenhang von der induzierten
Spannung und der Drehzahl ist jedoch eine Vereinfachung des realen
Zusammenhangs zwischen den beiden Größen. Der Unterschied von dem realen
und dem angenommenen Zusammenhang zwischen der induzierten Spannung
und der Drehzahl führt
zu einer Abweichung der über
den Faktor K bestimmten Drehzahl gegenüber der tatsächlichen Drehzahl
der elektrischen Maschine und ergibt damit ungenaue Ergebnisse bei
der Drehzahlermittlung.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgrund
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, dass als Parameter eine Temperatur der elektrischen
Maschine verwendet wird. Die induzierte Spannung der elektrischen
Maschine ist nicht nur abhängig
von der Drehzahl des Rotors, sondern auch von einem magnetischen
Fluss magnetisch aktiver Teile der elektrischen Maschine. Der magnetische
Fluss ist in einem wesentlichen Umfang von der Temperatur dieser
Teile abhängig,
weshalb eine Berücksichtigung
der Temperatur als Parameter zu sehr genauen Ergebnissen bei der
Drehzahlermittlung führt.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehzahl
mittels einer Funktion n = f(T, Uind) berechnet
wird. Die Funktion f beschreibt den Zusammenhang der Spannung Uind und der Temperatur T, der zur Drehzahl
n führt.
Da ein solcher Zusammenhang maschinenspezifisch ist, wird die Funktion
f vorzugsweise durch Messungen der Zusammenhänge von Spannung, Temperatur
und Drehzahl am Prüfstand
ermittelt. Aus den auf diese Weise gewonnenen Ergebnissen kann die
Funktion f ermittelt werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die aufgefundene
Funktion in Form einer Kennlinie und/oder eines Kennfelds und/oder
als eine Anzahl von Stützpunkten
realisiert wird. Eine Kennlinie übernimmt
hier die Aufgabe, einer Spannung eine bestimmte Drehzahl direkt
zuzuordnen. Die Ausgestaltung der Kennlinie ist dabei temperaturabhängig, weshalb
für jede
Temperatur eine der Temperatur zugehörige Kennlinie verwendet wird.
Ist die Funktion in Form eines Kennfelds realisiert, wird einer
Paarung aus Werten der induzierten Spannung und der Temperatur direkt
eine Drehzahl zugeordnet. Ist die Funktion durch eine Anzahl von Stützpunkten
realisiert, wird für
die genaue Zuordnung ein weiterer Berechnungsschritt benötigt. Da die
Stützpunkte
nur ganz bestimmten Werten oder nur ganz bestimmten Wertepaarungen
eine Drehzahl zuordnen, ist es notwendig, bei einem Zwischenwert oder
einer Paarungen von Zwischenwerten der Größen, mittels des zusätzlichen
Berechnungsschritts, wie beispielsweise einer Interpolation, die
Drehzahl zu ermitteln.
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Nach
einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die induzierte
Spannung gemessen wird. Hierfür
wird eine Sensorik zur Spannungsmessung verwendet. Um das Messergebnis
nicht zu beeinflussen ist es vorteilhaft, wenn während der Messung kein oder
nur ein kleiner, unwesentlicher Strom entnommen wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperatur
gemessen und/oder mittels eines Temperaturmodells berechnet wird.
Eine Messung der Temperatur führt
zu exakten Ergebnissen, kann jedoch insbesondere an bewegten Teilen,
wie beispielsweise dem Rotor, sehr aufwendig sein. Als Alternative
oder zusätzlich
ist es möglich,
ein Temperaturmodell zu verwenden, das entweder auf Basis anderer
gemessener Temperaturen und/oder anhand bestimmter verfügbarer Parameter,
die Temperatur berechnet. Als Parameter kann beispielsweise das
der elektrischen Maschine für
den generatorischen Betrieb zugeführte Drehmoment sein.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Temperatur
eine Temperatur eines magnetisch aktiven Bereichs der elektrischen Maschine,
insbesondere eines Stators und/oder eines Rotors der elektrischen
Maschine, verwendet wird. Da die Temperaturen in der Maschine einer starken örtlichen
Verteilung unterliegen, ist für
die Berücksichtigung
des temperaturabhängigen
magnetischen Flusses der Bereich der elektrischen Maschine relevant,
in dem der magnetische Fluss vorherrscht, um Fehler bei der Drehzahlermittlung
zu vermeiden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens
ein weiterer Parameter verwendet wird. Um Veränderungen der Funktion f in
Abhängigkeit
weiterer Einflüsse
berücksichtigen zu
können,
werden ein oder mehrere weiterer Parameter eingeführt und
verwendet.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als weiterer
Parameter ein Parameter verwendet wird, der Materialeigenschaften
der für
die Ausbildung des magnetisch aktiven Bereichs verwendete Materialien
der elektrischen Maschine berücksichtigt.
Die Materialeigenschaften wie Zusammensetzung und/oder Leitfähigkeit
können
den magnetischen Fluss beeinflussen. Ändern sich diese Materialeigenschaften
beispielsweise durch Alterungsprozesse, dann ändert sich auch der magnetische
Fluss. Diese Änderung
wird durch den oder die weiteren Parameter berücksichtigt.
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Nach
einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass als weiterer
Parameter ein Parameter verwendet wird, der die Konstruktion der
elektrischen Maschine und/oder den Maschinentyp der elektrischen
Maschine berücksichtigt.
Die Konstruktion der elektrischen Maschine betrifft insbesondere die
Anzahl und/oder geometrische Ausgestaltung der Wicklungen, die Anzahl
und/oder die Ausgestaltung der Pole und/oder die Dimensionierung
der elektrischen Maschine. Der verwendete Maschinentyp bezieht sich
insbesondere auf das verwendete Antriebsprinzip, wie beispielsweise
das Prinzip der Asynchronmaschine oder der permanent erregte Synchronmaschine.
Aus der Berücksichtigung
der Konstruktion und des Maschinentyps werden weitere Verbesserungen
bei der Drehzahl erzielt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Zeichnung veranschaulicht die Erfindung anhand eines Diagramms,
und zwar zeigt die
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Figur
eine Funktion zur Berechnung einer Drehzahl einer elektrischen Maschine.
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Ausführungsform der Erfindung
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Bei
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Drehzahl eines Rotors einer elektrischen Maschine in einer
Berechnungseinheit, wie beispielsweise einem Steuergerät, ermittelt.
Zu diesem Zweck wird die elektrische Maschine generatorisch betrieben,
indem ihrem Rotor von außen
ein Drehmoment M zugeführt
wird. Aus der daraus resultierenden Drehbewegung erzeugt die elektrische
Maschine mittels Induktion eine induzierte Spannung Uind.
Die induzierte Spannung Uind ist ein Maß für die Drehzahl
n, da ein Anstieg der Drehzahl, beispielsweise durch eine erhöhte Drehmomentbeaufschlagung
der elektrischen Maschine, zu einem Anstieg der induzierten Spannung
Uind führt.
Dies gilt jedoch nur unter vergleichbaren thermischen Bedingungen. Verändert sich
eine Temperatur T innerhalb von magnetisch aktiven Bereichen der
elektrischen Maschine, so verändert
sich auch deren magnetischer Fluss, was wiederum den Zusammenhang
zwischen der induzierter Spannung Uind und
der Drehzahl n beeinflusst. Aufgrund dieser Tatsache wird die Temperatur
T in den magnetisch aktiven Bereichen bei der Bestimmung der Drehzahl
n berücksichtigt.
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Die
Drehzahlermittlung der Drehzahl n erfolgt in der Berechnungseinheit.
Zu diesem Zweck wird die induzierte Spannung Und des Stators an
der elektrischen Maschine gemessen und die Temperatur T des Rotors
in einem Temperaturmodell berechnet. Die beiden Größen, die
induzierte Spannung Uind und die Temperatur
T, werden der Berechnungseinheit zugeführt, um die Ermittlung der
Drehzahl n in der Berechnungseinheit nach dem in der Figur schematisch
dargestellten Verfahren durchzuführen.
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Die
Figur zeigt ein kartesisches Koordinatensystem 1, das aus
einer Abszisse 2 und einer Ordinate 3 besteht.
Der Abszisse 2 ist die induzierte Spannung Uind zugeordnet,
während
der Ordinate 3 die Drehzahl n zugeordnet ist. Innerhalb
des kartesischen Koordinatensystems 1 sind zwei Ausführungsformen 4 und 5 der
Funktion f für
zwei Temperaturen T1 und T2 über einen
Wertebereich 7 gezeigt. Zur besseren Unterscheidung ist
die zweite Ausführungsform 5 der
Funktion f in gestrichelter Form dargestellt. Die erste Ausführungsform 4 der
Funktion f ist in drei Abschnitte 8, 9 und 10 unterteilt,
die als Geraden ausgebildet sind. Der Abschnitt 8 beginnt
im Ursprung 11 des Koordinatensystems 1 und geht
an einem Punkt 12 in den Abschnitt 9 über, der
seinerseits an einem Punkt 13 in den Abschnitt 10 übergeht.
Der Abschnitt 10 endet schließlich in einem Punkt 14.
Die Verläufe
der Abschnitte 8, 9 und 10 unterscheiden
sich in ihren Steigungen. Die Ausführungsform 5 der Funktion
f besteht ebenfalls aus drei Abschnitten 15, 16 und 17,
die als Geraden ausgebildet sind. Der Abschnitt 15 beginnt
im Ursprung 11 und verläuft
bis zu einem Punkt 18, an dem er in den Abschnitt 16 übergeht.
Der Abschnitt 16 erstreckt sich bis zu Punkt 19 und
geht dort in den Abschnitt 17 über, welcher in einem Punkt 20 endet.
Die Verläufe der
Abschnitte 15, 16 und 17 unterscheiden
sich ebenfalls durch ihre Steigungen voneinander. Zudem unterscheiden
sich die Steigungen der Abschnitte 15, 16 und 17 der
Ausführungsform 5 auch
von den Steigungen der Abschnitte 8, 9 und 10 der
Ausführungsform 4.
In beispielhafter Weise wird einer induzierten Spannung U1 auf der
Abszisse 2 eine Drehzahl n1 auf der Ordinate 3 zugeordnet.
Dies geschieht anhand des Abschnitts 9 der ersten Ausführungsform 4 der
Funktion f für
die Temperatur T1 und wird von zwei Pfeilen 21 und 22 veranschaulicht.
Zur Verdeutlichung der Temperaturabhängigkeit wird der induzierten
Spannung U1 eine weitere Drehzahl n3 über die Ausführungsform 5 der
Funktion f zugeordnet. Dies geschieht über den Abschnitt 16 der
zweiten Ausführungsform 5 für die Temperatur
T2 und wird von zwei Pfeilen 23 und 24 veranschaulicht.
Ein zweites Beispiel ordnet einer zweiten induzierten Spannung U2
analog zum ersten Beispiel eine Drehzahl n2 und eine Drehzahl n4
in Abhängigkeit
der Temperaturen T1 oder T2 zu.
Die Veranschaulichung der Zuordnung erfolgt hierbei mittels zwei
Pfeilen 25 und 26 zu der Drehzahl n2 für die Temperatur
T1 und mittels zwei Pfeilen 27 und 28 zu
der Drehzahl n4 für
die Temperatur T2.
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In
einer ersten Realisierung der Funktion f in der Berechnungseinheit
wird diese als Kennlinie 29 ausgeführt. Sie ist in der Figur in
zwei Ausführungsformen 4 und 5 für die Temperaturen
T1 und T2 dargestellt.
Die Kennlinie 29 weist einer induzierten Spannung Uind eine ihr zugehörige Drehzahl n direkt zu. Aufgrund
dieser Zweidimensionalität
der Kennlinie 29 wird zur Berücksichtigung der Temperatur
T für jede
betrachtete Temperatur T eine gesonderte Kennlinie 29 verwendet.
Die dadurch entstehende Kennlinienschar ist aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur teilweise durch die beiden Ausführungsformen 4 und 5 dargestellt.
Die Drehzahl n kann dann, wie in den beiden Ausführungsbeispielen dargestellt, anhand
der induzierten Spannung (U1, U2) und anhand der Temperatur (T1, T2) einer der
gezeigten Drehzahlen (n1, n2, n3, n4) bestimmt werden.
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In
einer weiteren Umsetzungsform ist die Funktion f in der Berechnungseinheit
als Kennfeld ausgeführt,
das in der Figur nicht dargestellt ist. Das Kennfeld ermöglicht ein
gleichzeitiges berücksichtigen
der beiden Größen (induzierte
Spannung Und , Temperatur
T), indem es einer Paarung der beiden Größen eine Drehzahl n direkt
zuordnen. Um ein solches Kennfeld zu erstellen, kann beispielsweise
das kartesische Koordinatensystem 1, welches eine Kennlinienschar
enthält,
um eine weitere Abszisse und damit um eine weitere Dimension erweitert
werden, die der Temperatur T zugeordnet ist. Entlang dieser Abszisse
können
alle Kennlinien der Kennlinienschar an der Stelle ihrer zugeordneten
Temperatur parallel zur ersten Abszisse angeordnet werden.
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In
einer weiteren Umsetzungsform ist die Funktion f in der Berechnungseinheit
als Anzahl von Stützpunkten 30 bis 36 realisiert.
In diesem Fall wird ein weiterer Berechnungsschritt bei der Zuordnung von
induzierter Spannung U und Temperatur T zur Drehzahl n durchgeführt. Die
Stützpunkte 30 bis 36 entstammen
vorzugsweise einer Messreihe, in der repräsentative Messungen durchgeführt wurden. Daraus
ergibt sich, dass die Zuordnung der Größen nur an den gemessenen Stellen
eindeutig durchführbar
ist. Solche Stützpunkte 30 bis 36 werden
beispielsweise als Basis für
Kennlinien und/oder Kennfelder verwendet, indem Zwischenwerte 37 bis 40, die
zwischen den Stützpunkten 30 bis 36 liegen,
berechnet werden. Dies erfolgt durch die zusätzliche Berechnungsvorschrift,
insbesondere erfolgt dies durch eine Interpolation. Auf diese Weise
lassen sich eine Anzahl von Stützpunkten 30 bis 36 auf
Kennlinien 29 und/oder Kennfelder erweitern oder die Stützpunkte
in ähnlicher
Weise wie Kennlinien und/oder Kennfelder einsetzen.
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Die
Ausgestaltung der Funktion f ist nicht auf den Zusammenschluss linearer
Abschnitte 8, 9 und 10 oder 15, 16 oder 17 beschränkt, sondern
kann auch eine Gerade, ein Polynom, eine logarithmische Funktion,
eine Exponentialfunktion und/oder eine Wurzelfunktionen sein. Auch
Mischformen der genannten Verläufe
sind denkbar. Eine optimale Ausgestaltung der Funktion wird vorzugsweise
durch Messung an der elektrischen Maschine bestimmt.
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Die
Ausführungsform
4 und 5 der Funktion f kann in einer Erweiterung zusätzlich zur
Temperatur T auch von weiteren Parametern abhängen. Diese Parameter können bei
der Realisierung als Kennlinienschar dadurch berücksichtigt werden, dass jeder Kennlinie
zusätzlich
zur Temperatur T noch ein weiterer Parameter zugeordnet ist. Bei
der Realisierung der Funktion als Kennfeld kann ein weiterer Parameter
dadurch berücksichtigt
werden, dass das Kennfeld um eine Dimension erweitert wird, die
diesem Parameter zugeordnet ist. Die Erweiterungsmöglichkeiten
gelten in entsprechender Weise auch für die Realisierung der Funktion
f als Anzahl von Stützpunkten.