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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur einer Turbomaschine, auf eine entsprechende Vorrichtung, auf eine Turbomaschine zur Luftversorgung für eine Brennstoffzelle, sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Für den Betrieb eines elektrischen Turboverdichters (ETC/ETV) kann es erforderlich sein, die Lager oder die Turbine des Turboverdichters aufzuheizen. Das Aufheizen der Turbomaschine kann vor oder während eines Betriebsbeginns durch zusätzliche Hilfsenergie durchgeführt werden. Damit kann einem erhöhten Verschleiß oder einer bleibenden Schädigung an beweglichen Teilen der Turbomaschine durch tiefe Temperaturen entgegengewirkt werden. Bekannte Systeme verfolgen Konzepte, bei denen die Turbomaschine über eine elektrische Heizpatrone im Gehäuse der Leistungsturbine oder über ein Temperiermedium wie Kühlwasser aufgeheizt wird.
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Die
DE 19928481 B4 beschreibt ein Verfahren vereinfachten feldorientierten Regelung von Asynchronmaschinen. Dabei werden Stellgrößen für einen flussbildenden und einen drehmomentbildenden Strom basierend auf Sollwertvorgaben für die Ströme erzeugt. Genauso können mit diesem Verfahren ohne die Vorgabe eines flussbildenden Stromes, Synchronmaschinen feldorientiert geregelt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Temperatur einer Turbomaschine, weiterhin eine Turbomaschine Versorgung einer Brennstoffzelle sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass elektrische Energie in einem Elektromotor, die nicht für eine Erzeugung eines Drehmoments oder zum Aufbau eines magnetischen Flusses genutzt wird, als Verlustleistung in Wärme umgewandelt wird. Durch Variieren von Anteilen eines elektrischen Eingangssignals für den Elektromotor lässt sich ein Verhältnis zwischen erzeugter Wärme und erzeugtem Drehmoment beeinflussen. Die im Regelfall als unerwünscht angesehene Wärmeentwicklung kann hierbei gezielt zu einer Erwärmung verschleißanfälliger Bauteile im Turboverdichter und mit dem Elektromotor wärmeleitend verbundener Komponenten genutzt werden.
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Insbesondere befasst sich die vorliegende Erfindung mit einer Aufheizstrategie für das Erwärmen eines elektrischen Turboverdichters über seine Drehfeldmaschine, insbesondere wenn die Drehfeldmaschine eine permanent magnetisch erregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine oder eine geschaltete Reluktanzmaschine oder eine Homopolarmaschine ist. Die Erwärmung kann im Stillstand sowie bei drehender Maschine erfolgen. Das Aufheizen des Turboverdichters mit Lager und Turbine kann in bestimmten Betriebspunkten erfolgen, insbesondere auch wenn die Maschine sich schon dreht. Beispielhafte Betriebspunkte hierfür können das Auftauen der Turbine bei Temperaturen unter 0°C oder das Aufheizen der Lager bei Temperaturen unter 10°C sein.
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Erfindungsgemäß ist es nicht erforderlich, den Turboverdichter mittels Heizpatronen oder Kühlwasser aufzuheizen. Dadurch ergibt sich eine Einsparung von Heizpatronen oder einer zusätzlichen Heizung im Temperiermedium sowie einer dazu notwendigen Ansteuerschaltung. Desweiteren sind ein deutlich schnellerer Aufheizvorgang der Lager und eine homogene Erwärmung der Mechanik, insbesondere der Lager, gegeben, da auch die Lagerinnenringe erwärmt werden. Zusätzlich erfordert der Aufwärmvorgang keine Energie aus dem Niederspannungsnetz, das üblicherweise von einer Fahrzeugbatterie versorgt wird. Insgesamt ergibt sich eine Verbesserung der gesamten Dynamik des Turboverdichters da aufgrund der Temperierung der Lager ein schnellerer Hochlauf möglich ist. Das Aufheizen des Turboverdichters, insbesondere der Lager, ist auch möglich, wenn die Drehfeldmaschine sich bereits dreht. Ansonsten ergibt sich eine Reduzierung der Aufheizzeit im Stillstand.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur einer Turbomaschine auf eine Betriebstemperatur, wobei die Turbomaschine wärmeleitend mit einer Drehfeldmaschine mit mindestens einer antriebswirksamen elektrischen Spule verbunden ist, wobei die Spule über Anschlussklemmen der Drehfeldmaschine elektrisch kontaktierbar ist, mit dem folgendem Schritt:
Einstellen einer feldbildenden Komponente und einer drehmomentbildenden Komponente eines elektrischen Signals zum Anlegen an die Anschlussklemmen, wobei die drehmomentbildende Komponente ausgebildet ist, die Drehfeldmaschine anzutreiben, und wobei die feldbildende Komponente abhängig von der Temperatur eingestellt wird und ausgebildet ist, um einen wärmeerzeugenden Stromfluss in der Spule und ein daraus resultierendes wärmeerzeugendes Magnetfeld zu bewirken.
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Unter einer Turbomaschine kann eine thermische Turbomaschine und insbesondere ein Turboverdichter verstanden werden. Die Turbomaschine kann demnach einen Verdichter und/oder eine Turbine aufweisen. Im Verdichter kann die Turbomaschine ein Gas komprimieren. Die zur Komprimierung erforderliche mechanische Energie kann von der Drehfeldmaschine bereit gestellt werden. In der Turbine kann die Turbomaschine ein Gas entspannen. Dabei kann Energie in Form von mechanischer Energie bereitgestellt werden, die auf den Verdichter übertragen oder von der Drehfeldmaschine in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Temperatur der Turbomaschine kann eine gemessene Temperatur an einem verschleißempfindlichen Bauteil, wie einem Lager sein. Die Temperatur kann auch an einem Rotor oder Stator der Drehfeldmaschine gemessen werden. Ebenso kann die Temperatur an einem Läufer, Gehäuse oder Umfeld der Turbomaschine gemessen werden. Für die Turbomaschine kann eine Betriebstemperatur vorgesehen sein, bei der Reibung und Verschleiß minimal sein können. Wenn die Betriebstemperatur unterschritten ist, können die Reibung und somit auch der Verschleiß erhöht sein. Um die Temperatur der Turbomaschine zu erhöhen kann die Abwärme der Drehfeldmaschine genutzt werden. Unter einer Drehfeldmaschine kann ein Generator oder Elektromotor, verstanden werden, der beispielsweise drei Spulen aufweist, um unter Verwendung eines oder mehrerer rotierender magnetischer Felder elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln kann oder umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln kann. Ein Stromfluss durch die Spulen oder eine an die Spulen angelegte Spannung kann durch das elektrische Signal definiert werden. Je nach Betriebszustand weist das elektrische Signal eine feldbildende Komponente und zusätzlich oder alternativ eine drehmomentbildende Komponente auf. Die feldbildende Komponente ist ausgebildet, um einen Strom durch die Spulen zu bewirken, der kein Drehmoment zum Antreiben der Drehfeldmaschine bewirkt. Die drehmomentbildende Komponente ist ausgebildet, um einen Strom durch die Spulen zu bewirken, der ein Drehmoment zum Antreiben der Drehfeldmaschine bewirkt. Die drehmomentbildende Komponente führt zusätzlich zu einer Erwärmung der Spulen. Die feldbildende Komponente und die drehmomentbildende Komponente können auf ein rotor- oder magnetfeldfestes dq-Koordinatensystem bezogen sein, wobei die drehmomentbildende Komponente in q-Richtung und die feldbildende Komponente in d-Richtung aufgetragen werden. Die feldbildende Komponente und die drehmomentbildende Komponente können Stromwerte oder Spannungswerte repräsentieren. Zum Ansteuern der Drehfeldmaschine können die feldbildende Komponente und die drehmomentbildende Komponente mittels einer geeigneten Transformation aus dem dq-Koordinatensystem in ein statorfestes Koordinatensystem, also in drei Spannungskomponenten eines 3-Phasen-Drehstromsystems, gewandelt werden. Die Spannungskomponenten des 3-Phasen-Drehstromsystems können an die Anschlussklemmen der Drehfeldmaschine angelegt werden. Ein Stromfluss durch die Spulen hat aufgrund des ohmschen Widerstands der Spulenwicklungen eine Erwärmung der Spulen zur Folge. Der Stromfluss durch die Spulen hat ferner die Erzeugung eines wärmeerzeugenden Magnetfelds zur Folge, das wiederum zu einer Erwärmung magnetisch leitfähiger Teile der Turbomaschine führt. Beispielsweise kann das wärmeerzeugende Magnetfeld und daraus entstehende induzierte Wirbelströme im Stator und im Rotor des Elektromotors eine Erwärmung des Rotors und des Stators bewirken. Dieser Effekt stellt die Aufheizung des Rotors und des Stators durch induzierte Wirbelströme in den magnetisch leitfähigen Teilen derselben dar, welche aufgrund der zeitlichen Änderung der d- und optional der q-Komponente der durch die Statorströme resultierenden magnetischen Flüsse hervorgerufen werden. Die Erwärmung der Spulen kann durch den feldbildenden Anteil des elektrischen Signals gesteuert werden, ohne dass das Drehmoment der Drehfeldmaschine beeinflusst wird. Die durch Spulen erzeugte Wärme kann zur Erwärmung von Komponenten der Drehfeldmaschine und der Turbomaschine genutzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die feldbildende Komponente einen über die Zeit veränderlichen Verlauf aufweisen. Beispielsweise kann die feldbildende Komponente einen periodisch schwingenden Verlauf aufweisen. Ferner kann die feldbildende Komponente einen Gleichanteil umfassen. Der Gleichanteil kann für sich bestehen oder von einer periodischen Schwingung überlagert sein. Dadurch kann die Drehfeldmaschine auf bekannte Weise über die drehmomentbildende Komponente angesteuert werden und es kann zusätzlich eine Erwärmung über die feldbildende Komponente erreicht werden.
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Die Turbomaschine kann einen Ruhezustand aufweisen. Befindet sich die Turbomaschine im Ruhezustand, so kann im Schritt des Einstellens das elektrische Signal so erzeugt werden, dass die drehmomentbildende Komponente gleich Null und die die feldbildende Komponente einen Gleichanteil und/oder einen über die Zeit veränderlichen Verlauf aufweist. In dem Ruhezustand kann sich die Drehfeldmaschine im Stillstand befinden. Vorteilhafterweise kann die Drehfeldmaschine bereits im Stillstand erwärmt werden.
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Ferner kann die Turbomaschine einen Anfahrzustand aufweisen. Befindet sich die Turbomaschine im Anfahrzustand, so kann im Schritt des Einstellens das elektrische Signal so erzeugt werden, dass die drehmomentbildende Komponente einen Gleichspannungsanteil umfasst, und die die feldbildende Komponente einen Gleichanteil und/oder einen über die Zeit veränderlichen Verlauf aufweist. Dadurch kann die Turbomaschine aus dem Stillstand beschleunigt werden und zusätzlich kann eine stärkere Erwärmung erreicht werden, als im Normalbetrieb, in dem die feldbildende Komponente minimiert wird.
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Auch kann die Turbomaschine einen Vorlaufzustand aufweisen, in dem die drehmomentbildende Komponente wechselnd positive und negative Werte aufweist, um die Turbomaschine in Schwingung zu versetzen. Dabei können die drehmomentbildende Komponente und die feldbildende Komponente einen Phasenversatz zueinander aufweisen. Dadurch kann ein wiederkehrendes kurzzeitiges Drehmoment erzeugt werden, welches Blockaden in der Turbomaschine lösen kann. Zusätzlich kann über die feldbildende Komponente die Erwärmung durchgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Erhöhung einer Temperatur einer Turbomaschine auf eine Betriebstemperatur, wobei die Turbomaschine wärmeleitend mit einer Drehfeldmaschine mit mindestens einer antriebswirksamen elektrischen Spule verbunden ist, wobei die Spule über Anschlussklemmen der Drehfeldmaschine elektrisch kontaktierbar ist, mit dem folgendem Merkmal:
einer Einrichtung zum Einstellen einer feldbildenden Komponente und einer drehmomentbildenden Komponente eines elektrischen Signals zum Anlegen an die Anschlussklemmen, wobei die drehmomentbildende Komponente ausgebildet ist, die Drehfeldmaschine anzutreiben, und wobei die feldbildende Komponente abhängig von der Temperatur eingestellt wird und ausgebildet ist, um einen wärmeerzeugenden Stromfluss in der Spule und ein daraus resultierendes wärmeerzeugendes Magnetfeld zu bewirken.
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Die Vorrichtung kann Teil einer Leistungselektronik, beispielsweise eines Pulswechselrichters sein, mit dem Ansteuerströme einer Drehfeldmaschine erzeugt werden.
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Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine Turbomaschine für eine Brennstoffzelle, mit folgenden Merkmalen:
einem Verdichter zum Komprimieren eines Gases zur Versorgung der Brennstoffzelle und einer Drehfeldmaschine, die mit dem Verdichter gekoppelt ist; und
einer Vorrichtung zur Erhöhung einer Temperatur der Turbomaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Turbomaschine kann für ein Brennstoffzellensystem, welches zur Bereitstellung elektrischer Energie eingesetzt wird, verwendet werden, das neben zumindest einer Brennstoffzelle die Turbomaschine aufweist. Unter einer Brennstoffzelle kann ein elektrochemisches Gerät verstanden werden, in dem zwei Gase miteinander reagieren. Aus der Reaktionsenergie wird elektrische Energie gewonnen. Die Brennstoffzelle kann mit komprimierten oder verdichteten Gasen versorgt werden. Zumindest eines der Gase kann in dem Verdichter komprimiert und der Brennstoffzelle zugeführt werden. Dabei kann es sich um Luft zur Luftversorgung der Brennstoffzelle handeln. Der Verdichter kann von der Drehfeldmaschine angetrieben werden. Optional kann die Turbomaschine eine Turbine zur Nutzung einer Abgasenergie der Brennstoffzelle aufweisen. Die Turbine kann mit der Drehfeldmaschine gekoppelt sein und durch ein bei der Reaktion der Gase entstehendes Abgas angetrieben werden. Die Turbine kann wiederum die Drehfeldmaschine und über die Drehfeldmaschine den Verdichter antreiben. Dazu können Verdichter, Drehfeldmaschine und Turbine mechanisch verbunden sein.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem, einem Computer entsprechenden Gerät ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Turbomaschine mit einer Drehfeldmaschine;
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3 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zum Einstellen einer feldbildenden und einer drehmomentbildenden Komponente, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4a bis 4d Koordinatensysteme und Diagramme von feld- und drehmomentbildenden Strömen, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Zeitreihe einer veränderlichen Spannung an einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Zeit-Temperatur Diagramm, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Erhöhung einer Temperatur T einer Turbomaschine auf eine Betriebstemperatur, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 102 wird eine Temperaturerkennung in oder an der Turbomaschine durchgeführt, um die Temperatur T zu ermitteln. Dazu können geeignete Sensoren oder Temperaturfühler eingesetzt werden, um die Temperatur T zu messen. In einem Schritt 104 wird abhängig von der Temperatur T ein elektrisches Signal zum Betreiben einer Drehfeldmaschine der Turbomaschine bestimmt. Das elektrische Signal weist eine feldbildende Komponente d und eine drehmomentbildende Komponente q auf. Die drehmomentbildende Komponente q ist ausgebildet, die Drehfeldmaschine anzutreiben und wird abhängig von einem erforderlichen Drehmoment eingestellt. Die feldbildende Komponente d wird abhängig von der Temperatur T eingestellt. Im Gegensatz zur drehmomentbildenden Komponente ist die feldbildende Komponente d nicht zur Erzeugung eines Drehmoments geeignet sondern dient dazu, einen wärmeerzeugenden Stromfluss in der Spule oder über das resultierende magnetische Feld, eine Erwärmung im Rotor und im Stator zu bewirken. Ist die Temperatur T kleiner als die Betriebstemperatur, so kann die feldbildende Komponente auf einen Wert eingestellt werden, der eine Erwärmung der Drehfeldmaschine und somit der Turbomaschine bewirkt. Ist die Temperatur gleich oder größer als die Betriebstemperatur, so kann die feldbildende Komponente auf Null eingestellt oder zumindest minimiert werden, um eine Überhitzung der Turbomaschine zu vermeiden.
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2 zeigt ein Blockschaltbild eines elektrischen Turboverdichters 200 mit einem angeschlossenen Verdichter 201 und einer angeschlossenen Turbine 202, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei ist eine Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Komponenten des elektrischen Turboverdichters 200 gezeigt.
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Die Turbine 202 weist ein Turbinenlaufrad 204 und ein Turbinengehäuse 206 auf. In das Turbinengehäuse 206 kann optional eine Heizpatrone 208 eingebaut sein, um die Turbine 202 zu erwärmen. An die Turbine 202 schließt ein Mechanikgehäuse 210 des Turboverdichters 200 an. Durch das Mechanikgehäuse 210 führt eine Welle 212. Die Welle 212 ist im Mechanikgehäuse 210 durch zwei Lager 214 abgestützt, wobei die Lager jeweils eine beliebige Anzahl an Einzellagern beinhalten können. Ebenfalls im Mechanikgehäuse 210 ist eine Drehfeldmaschine in Form eines Elektromotors 216 angeordnet. Der Elektromotor 216 besteht aus einem Rotor 218 und einem Stator 220. Die Lager 214 sowie der Stator 220 können von einer optionalen Einrichtung 222 zur Temperierung der Mechanik auf Betriebstemperatur gebracht werden. Zusätzlich ist im Mechanikgehäuse 210 eine Leistungselektronik 224 angeordnet. Mittels der Leistungselektronik 224 kann der Elektromotor 216 gesteuert werden. Die Welle 212 durch das Mechanikgehäuse 210 ist einerseits mit dem Turbinenlaufrad 204 und andererseits mit einem Verdichterlaufrad 228 des Verdichters 201 verbunden. Das Verdichterlaufrad 228 ist in einem Verdichtergehäuse 230 angeordnet.
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Der Turboverdichter 200 kann im Zusammenhang mit einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Dabei kann mittels des Verdichters 201 ein Gas zur Speisung einer Brennstoffzelle verdichtet werden. Die Turbine 202 kann mittels eines Abgasstroms der Brennstoffzelle angetrieben werden. Über die Welle 212 kann der Verdichter 201 direkt von der Turbine 202 angetrieben werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Verdichter 201 über den Elektromotor 216 angetrieben werden. Erzeugt die Turbine 202 mehr Energie, als von dem Verdichter 201 benötigt wird, so kann der Elektromotor 216 als Generator betrieben werden.
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Sofern die Turbine 202 eingesetzt wird, um Energie aus einem heißen Abgasstrom zu gewinnen, sind die Lager 214 auf eine hohe Betriebstemperatur ausgelegt. Bevor die Turbine 202 in Betrieb genommen wird, sind das Turbinenlaufrad 204 und das Turbinengehäuse 206 sowie der Turboverdichter 200 typischerweise kälter als die jeweils entsprechenden Betriebstemperaturen. Um die jeweiligen Betriebstemperaturen zu erreichen kann die Leistungselektronik 224 die Spulen des Elektromotors 216 mit einer Stromkomponente beaufschlagen, die kein Drehmoment des Elektromotors 216 bewirkt jedoch aufgrund des elektrischen Widerstands der Wicklungen der Spulen zu einer Erwärmung der Spulen führt und weiter über das resultierende Magnetfeld und daraus entstehende Wirbelströme im Stator und im Rotor des Elektromotors zu einer Erwärmung des Rotors 218 und des Stators 220 führt. Die Erwärmung der Spulen führt zur Erwärmung der Mechanik des Turboverdichters 200 und, über die Welle 212 oder andere geeignete Wärmebrücken, zur Erwärmung der Komponenten der Turbine 202. Die Erwärmung des Rotors führt zur Erwärmung der Mechanik der Welle 212 des Turboverdichters oder andere geeignete Wärmebrücken, zur Erwärmung der Komponenten der Turbine 202.
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3 zeigt eine Einrichtung zum Einstellen einer feldbildenden und einer drehmomentbildenden Komponente eines elektrischen Signals gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in Form eines Pulswechselrichters 300. Der Pulswechselrichter 300 weist Anschlüsse zum Empfangen einer zweiphasigen Gleichspannung als Eingangsspannung UZK auf. Der Pulswechselrichter 300 ist ausgebildet, um aus der Eingangsspannung UZK das elektrische Signal in feldorientierten Koordinaten oder in phasenorientierten Koordinaten zu erzeugen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine dreiphasige Wechselspannung erzeugt und an Ausgangskontakten des Pulswechselrichters 300 ausgegeben. Mittels der dreiphasigen Wechselspannung kann eine Maschine 302 betrieben werden. Optional kann die dreiphasige Wechselspannung durch einen Filter 304 geglättet werden, der zwischen dem Pulswechselrichter 300 und der Maschine 302 geschaltet ist. Der Pulswechselrichter 300 kann Teil der in 2 gezeigten Leistungselektronik sein und die Maschine kann dem in 2 gezeigten Elektromotor entsprechen.
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Der Pulswechselrichter 300 kann das elektrische Signal und somit die dreiphasige Wechselspannung abhängig von einer Information über eine Temperatur erzeugen. Insbesondere kann der Pulswechselrichter ausgebildet sein, um das elektrisches Signal mit einer feldbildenden Komponente zu versehen oder diese zu erhöhen, wenn aufgrund der Information über die Temperatur eine Erwärmung der Maschine 302 erforderlich ist. Die Information über eine Temperatur kann über eine geeignete Schnittstelle empfangen werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Erwärmung der Maschine 302 mit einer Erzeugung einer periodischen hochfrequenten Spannung oder eines periodischen hochfrequenten Stroms an den Klemmen der Maschine 302 bewerkstelligt werden. Diese Spannung beziehungsweise dieser Strom kann sowohl in feldorientierten Koordinaten als auch im phasenorientierten Koordinatensystem eingespeist werden. Dabei können die Komponenten der Spannung, bzw. des Stroms sowohl d- als auch q-Anteile aufweisen. Zur Erwärmung erfolgt vorzugsweise eine Aufschaltung in d-Richtung, damit kein resultierendes Drehmoment an der Welle des Motors auftritt. Dabei kann sich die Maschine drehen oder aber auch im Stillstand befinden. Die Aufheizung des in 2 gezeigten Turboverdichters erfolgt somit über den Stator und die Rotorwelle.
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Das Verfahren zur Erwärmung kann auch kombiniert werden. So kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Aufschaltung eines alternierenden Stromes in q-Richtung zur Regelung des Drehmoments der Maschine erfolgen. Für den Fall, dass die Turbine im Stillstand bei Temperaturen unter 0°C festgefroren ist, kann die Turbine des Turboverdichters losgerüttelt werden.
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Bei drehender Maschine d. h. der q-Strom ist ungleich 0A, kann ein zusätzlicher Strom in d-Richtung, auch rotierend, aufgeschaltet werden. Dadurch kann die Aufheizung des Turboverdichters ohne zusätzliches resultierendes Drehmoment an der Welle realisiert werden. Dieses d-Feld kann eine unterschiedliche Frequenz zum q-Strom aufweisen. Insbesondere kann es eine höhere Frequenz aufweisen.
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Ebenfalls kann das Verfahren durch eine Erzeugung eines konstanten Gleichstroms in den Motorphasen realisiert werden. Der Stator und mittelbar der Rotor der Maschine werden somit über ohmscher Wicklungsverluste des Stators aufgeheizt. Insgesamt wird der Stator geheizt. Der Gleichstrom kann vorzugsweise in d-Richtung angelegt werden.
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Auch eine Erzeugung von alternierenden Spannungsimpulsen oder Stromimpulsen in beliebige Raumzeigerrichtungen ist möglich. Hierbei sollten die Impulse so gewählt werden, dass kein resultierendes Drehmoment an der Welle der Maschine auftritt. Für spezielle Anwendungsfälle kann auch gezielt ein Drehmoment aufgebracht werden, beispielsweise zum Losreißen einer festgefrorenen Turbine. Dabei wird sowohl im Stator als auch im Rotor der Maschine Wärme erzeugt. Die Aufheizung des Turboverdichters erfolgt somit über den Stator und die Rotorwelle.
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Die 4a bis 4d zeigen Verläufe des feldbildenden Stroms id und des drehmomentbildenden Stroms iq, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Mittels der gezeigten Ströme kann der erfindungsgemäße Ansatz zur Erhöhung einer Temperatur einer Turbomaschine umgesetzt werden. Der feldbildende Strom id und der drehmomentbildende Strom iq sind pro Figur in je einem Diagramm aufgetragen. Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen, auf der Ordinate die Stromstärke iq respektive id. Das feldorientierte dq-Koordinatensystem bildet bei konstanten Zuständen am Motor die zyklisch pendelnden Ströme im phasenorientierten uvw-Koordinatensystem als konstante Werte ab. Durch eine Transformation der Koordinaten aus dem uvw-Koordinatensystem in das dq-Koordinatensystem werden die Ströme aus einer Perspektive des rotierenden Feldes betrachtet. Konstante Ströme im dq-Koordinatensystem werden als sinusförmig wechselnde Ströme in uvw-Koordinatensystem abgebildet. Dabei entspricht eine Umdrehung des dq-Systems einer Periodendauer im uvw System. Die Achsen des uvw-Koordinatensystems stehen unter einem Winkel von 120° zueinander und repräsentieren die Ausrichtung von elektrischen Spulen in einem Dreiphasen-Elektromotor. Durch die sinusförmigen wechselnden Ströme in den Spulen eines Dreiphasen-Elektromotors wird ein drehendes Magnetfeld erzeugt, das mit der Umlauffrequenz der Ströme rotiert. Das dq-Koordinatensystem rotiert mit derselben Umlauffrequenz.
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4a zeigt ein Ausführungsbeispiel mit konstanten Strömen im dq-Koordinatensystem. Gezeigt ist ein Verlauf des Stroms iq über die Zeit t und ein Verlauf des Stroms id über die Zeit t. Die Ströme iq und id sind konstant. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der drehmomentbildende Strom iq niedriger als der feldbildende Strom id. Ein aus dem feldbildenden Strom id resultierende Verlustleistung bewirkt eine Erwärmung der Spulen. Der konstante Strom in d- und q-Richtung kann jeweils auch kleiner gleich 0A betragen.
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4b zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem konstanten Verlauf des Stroms iq und einem schwingenden Verlauf des Stroms id über die Zeit t. Der Strom id führt eine periodische Schwingung um einen konstanten Wert aus. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann es sich also um einen konstanten Strom in q-Richtung und einen periodischer Wechselstrom in d-Richtung mit Gleichanteil handeln.
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4c zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem konstanten Verlauf des Stroms iq und einem wechselnden Verlauf des Stroms id. Der Strom id wechselt seine Richtung periodisch und sein Mittelwert ist null. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann es sich um einen konstanten Strom in q-Richtung und einen periodischen Wechselstrom in d-Richtung ohne Gleichanteil handeln.
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4d zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem wechselnden Verlauf des Strom iq und einem wechselnden Verlauf des Stroms id. Beide Ströme weisen keinen Gleichstromanteil auf. Die Ströme iq und id weisen eine Phasenverschiebung von einer Viertelperiode auf. Als Stromvektor in das dq Koordinatensystem projiziert beschreibt die Spitze des Stromvektors eine kreisförmige Kurve. Daher wird mit der Kreisfrequenz des Vektorumlaufs abwechselnd ein Drehmoment und ein Blindstrom bewirkt. Daraus resultiert ein rütteln oder vibrieren des Elektromotors mit der Kreisfrequenz des Kurvenumlaufs. Eventuell vorhandene Blockaden können so gelöst werden, und gleichzeitig die Drehfeldmaschine erwärmt werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann es sich um einen periodischer Wechselstrom in q-Richtung, für ein Losrütteln, und zusätzlich oder alternativ um einen periodischen Wechselstrom in d-Richtung handeln. Beide jeweils ohne Gleichanteil.
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5 zeigt Darstellungen eines uvw-Koordinatensystems, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Vier Darstellungen eines uvw-Koordinatensystems mit einem Zwischenwinkel von je 120° repräsentieren eine Zeitreihe mit Momentaufnahmen zu je vier Zeitpunkten. Das uvw-Koordinatensystem repräsentiert die Spulenanordnung in einem Dreiphasen-Wechselstrommotor. Jede der Achsen u, v, w entspricht einer der Spulen des Wechselstrommotors. In der ersten Darstellung ist eine Spannung U in u Richtung angetragen. In der zweiten Darstellung ist die Spannung U als Winkelhalbierende zwischen den Achsen v und w, also um 180° versetzt, eingetragen. In der dritten Darstellung ist die Spannung U in u Richtung angetragen, also erneut um 180° versetzt. In der vierten Darstellung ist die Spannung U wie in der zweiten Darstellung um 180° zur dritten Darstellung versetzt, und stellt erneut eine Winkelhalbierende zwischen den Achsen v und w dar. Als Zeitreihe gesehen stellen die vier Darstellungen eine um den Nullpunkt wechselnde Spannung ohne Gleichanteil in u Richtung dar. Bevorzugter Weise wird die Richtung der Spannung U so gewählt, dass die Spannung U keinen drehmomentbildenden Anteil hat. In diesem Fall kann die Spannung U rein feldbildend wirken. Daraus ergibt sich, dass die Spannung U vollständig in Wärme umgewandelt wird.
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6 zeigt in einem Diagramm gemessene Temperaturwerte, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse ist eine Zeit t in Minuten in einem Zeitfenster zwischen Null und einer Minute angetragen. Auf der Ordinate ist eine Temperatur T in °C angetragen. Der Minimalwert beträgt 30°C, der Maximalwert 130°C. Eine Kurve 600 repräsentiert eine Temperatur des Rotors in °C. Eine Kurve 602 repräsentiert eine Temperatur der Turbine in °C. Eine Kurve 604 repräsentiert eine Temperatur des Stators in °C. Eine Kurve 606 repräsentiert eine Temperatur des ersten Lagers in °C. Eine Kurve 608 repräsentiert eine Temperatur des zweiten Lagers in °C. Zu Beginn, bei 0 Minuten weisen alle fünf Kurven näherungsweise 30°C auf. Nach circa 0,17 Minuten befinden sich alle Kurven noch unterhalb 40°C, jedoch ist die Kurve 600 der Temperatur des Rotors bereits zu höheren Temperaturwerten verschoben, als die anderen vier Kurven. Zu einem Zeitpunkt von 0,5 Minuten hat die Kurve 600 der Temperatur des Rotors bereits knapp 70°C erreicht, während alle anderen Kurven noch unterhalb von 40°C liegen. Zu einem Zeitpunkt von 0,85 Minuten hat die Kurve 600 bereits einen Temperaturwert von 110°C erreicht, während die Kurve 602 der Turbine, die Kurve 604 des Stators, die Kurve 606 des ersten Lagers und die Kurve 608 des zweiten Lagers zwischen 42°C und 35°C verharren. Die Messung der Kurven 602, 604, 606, 608 ist nach 0,85 Minuten beendet, die Messung der Kurve 600 endet nach 1 Minute und erreicht einen Wert von 115°C. Der Verlauf der Kurve 600 zeigt die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Verfahrens zur Erwärmung einer Turbomaschine. Der Motor erreicht innerhalb von einer Minute Temperaturen von über 100°C, bei einer Starttemperatur von circa 30°C. Dieses Ergebnis stellt eine deutliche Steigerung der Heizleistung des Elektromotors gegenüber dem Regelbetrieb dar. Durch die kurze Aufwärmzeit kann die Turbomaschine bestmöglich auf die Betriebstemperatur ausgelegt werden, da ein Betrieb unterhalb der Betriebstemperatur durch die Anwendung des Verfahrens nur einen sehr geringen Anteil an der Gesamtbetriebszeit hat. Dadurch können das Lagerspiel und anderen Maschinentoleranzen bezüglich eines optimalen Wirkungsgrads bei Betriebstemperatur ausgelegt werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Durch die Verwendung der feldbildenden Komponente des zum Betrieb der Turbomaschine geeigneten elektrischen Signals, kann die Turbomaschnine erwärmt werden, indem ein wärmeerzeugender Stromfluss in der oder den zum Antrieb der Turbomaschine eingesetzten Spulen und ein daraus resultierendes wärmeerzeugendes Magnetfeld bewirkt wird. Das elektrische Signal kann von einem Wechselrichter bereitgestellt werden. Die feldbildende und die drehmomentbildende Komponente können dabei mittels einer Vektorregelung so eingestellt werden, das das Drehmoment nur über die drehmomentbildende Komponente, bei einem rotorbezogenen d/q-System kann darunter die q-Komponente des Statorstroms verstanden werden, geregelt wird. Beispielsweise kann der Wechselrichter so angesteuert werden, dass bei einer niedrigen ersten Temperatur der Turbomaschine ein Anteil der feldbildenden Komponente an dem elektrischen Signal erhöht wird, um die Erwärmung der Turbomaschine zu bewirken. Bei Erreichen einer höheren zweiten Temperatur der Turbomaschine kann der Anteil der feldbildenden Komponente an dem elektrischen Signal wieder reduziert werden. Die erste und zweite Temperatur, sowie etwaige weitere Temperaturschwellen können fest vorgegeben oder während des Betriebs der Turbomaschine eingestellt werden. Somit wird aktiv eine Veränderung der feldbildenden Komponente durchgeführt, wenn eine Veränderung der Temperatur der Turbomaschine bewirkt werden soll. Der drehmomentbildende Anteil des elektrischen Signals kann vor, während und nach der Erwärmung der Turbomaschine konstant oder nahezu konstant gehalten werden, oder entsprechend sich verändernder Drehmomentanforderungen angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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