DE102010056323B4 - Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine sowie Anordnung mit Drehfeldmaschine, insbesondere im Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine sowie Anordnung mit Drehfeldmaschine, insbesondere im Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine (D) mit drei Wicklungen (W1, W2, W3), denen jeweils ein Wicklungszweig mit Verbindungsleitungen zugeordnet ist, in dem die Wicklungen mit einem jeweiligen ersten Ende in einem Sternpunkt (SP) miteinander gekoppelt sind, der mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle (B) oder einem Filterelement gekoppelt ist, und in dem die Wicklungen mit ihrem jeweiligen zweiten Ende einerseits über einen jeweiligen ersten Schalter (M11, M21, M31) mit einem ersten Pol eines kapazitiven Elements oder einer Batterie (C) gekoppelt sind und andererseits über einen jeweiligen zweiten Schalter (M12, M22, M32) mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle (B) bzw. des Filterelements und einem zweiten Pol des kapazitiven Elements (C) bzw. der Batterie gekoppelt sind, wobei im Normalbetrieb alle ersten Schalter (M11, M21, M31) und alle zweiten Schalter (M12, M22, M32) im Wechsel derart geöffnet und geschlossen werden, dass jeweils ein Wechselstrom über die Wicklungen (W1, W2, W3) fließt, wobei jeweils zwei der Wechselströme zueinander phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, dass erfasst wird, ob in einem Wicklungszweig einer der Schalter oder die zugehörige Wicklung oder eine zugehörige Verbindungsleitung ausfällt oder nicht voll funktionsfähig ist und bei Erfassen eines solchen Ausfalls eines Wicklungszweigs mit einer ersten Wicklung die ersten und zweiten Schalter, die zu den beiden anderen Wicklungen gehören, im Wechsel derart geöffnet und geschlossen werden, dass jeweils ein Wechselstrom und gleichzeitig damit ein Gleichstrom über die beiden anderen Wicklungen (W2, W3) fließt, wobei das Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Schalter, die zu den beiden anderen Wicklungen gehören, derart angepasst wird, dass sich die Phasenverschiebung der Wechselströme in den beiden verbliebenen Wicklungen bei Ausfall eines Wicklungszweigs bezüglich der Phasenverschiebung der Wechselströme in den Wicklungen im Normalbetrieb reduziert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Drehfeldmaschine bestimmter Art, wie sie aus der DE 10 2005 045 122 A1 und der DE 198 57 645 A1 bekannt ist. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine in einer solchen Anordnung, sowie ein Kraftfahrzeug mit der Anordnung.
  • Die Anordnung beinhaltet, dass die Drehfeldmaschine eine Mehrzahl von Wicklungen, bevorzugt drei Wicklungen hat, die mit einem jeweiligen ersten Ende in einem Sternpunkt miteinander gekoppelt sind, wobei der Sternpunkt seinerseits mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle gekoppelt ist. Das jeweilige zweite Ende der Wicklungen (das man auch als „Phasenende“ bezeichnen kann) ist einerseits über einen jeweiligen ersten Schalter mit einem ersten Pol eines Energiespeichers gekoppelt und andererseits über einen jeweiligen zweiten Schalter mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle und gleichzeitig mit einem zweiten Pol des Energiespeichers gekoppelt. Der Energiespeicher kann als kapazitives Element bereitgestellt sein oder als Batterie. Vorliegend wird auch ein kapazitives Element niedriger Kapazität, das eine nur geringe Energiespeicherfähigkeit hat und eher als Filter dient, als Energiespeicher bezeichnet. Als Schalter sind insbesondere Transistoren, nämlich MOSFETs vorgesehen. Jeder Wicklung ist ein Wicklungszweig zugeordnet, zu dem neben der Wicklung auch Verbindungsleitungen und die beiden Schalter gehören.
  • Auch aus der DE 10 2009 031 883 A1 ist eine entsprechende Anordnung bekannt, wobei hier eine Antriebsvorrichtung für einen Mehrphasenwechselstrom-Synchronmotor bereitgestellt ist. Der Mehrphasenwechselstrom-Synchronmotor weist dabei eine Statorspule auf, die von einer Gleichstromleistungsquelle und einem Kondensator durch eine Gleichrichterschaltung mit Energie versorgt wird. Die Gleichrichterschaltung umfasst ein Schaltelement der positiven Seite und ein Schaltelement der negativen Seite, die als ein Paar in Reihe geschaltet sind und von einer Gleichrichtersteuerschaltung gesteuert werden.
  • Schließlich ist aus der DE 10 2009 008 072 A1 unter anderem noch ein dreiphasiger Hochsetzsteller zum Hochsetzen einer an einem Eingang anliegenden Eingangsgleichspannung in eine an einem Ausgang bereitzustellende, höhere Ausgangsgleichspannung mit einer Ausfallsicherung für den Fall, dass eine der Phasen des Hochsetzstellers defekt ist, bekannt.
  • Die Anordnung kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug genutzt werden, wobei die Spannungsquelle eine solche des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs ist und die Drehfeldmaschine Teil einer Einrichtung zur elektrischen Hilfskraftlenkung ist. Eine elektrische Hilfskraftlenkung stellt zusätzlich zu einem an einer Lenkhandhabe des Kraftfahrzeugs aufgebrachten Drehmoment zum Auslenken eines Rades ein unterstützendes Moment bereit. Hierzu bedarf es eines Elektromotors, nämlich eben der Drehfeldmaschine. Die Erfindung ist jedoch auch dann anwendbar, wenn die Drehfeldmaschine als (Drei-) Phasen-Motor-Generator arbeitet, wenn also insbesondere auch zumindest teilweise elektrische Energie mit Hilfe der Drehfeldmaschine gewonnen werden soll. Vorliegend wird allerdings davon ausgegangen, dass im Normalbetrieb alle ersten Schalter und alle zweiten Schalter im Wechsel derart geöffnet und geschlossen werden, dass ein Wechselstrom über die Wicklungen fließt. Durch die Sternpunktschaltung ist hierbei gewährleistet, dass der Wechselstrom nicht zur Batterie fließt. Vielmehr fließt der Wechselstrom von der einen Wicklung über den Sternpunkt in die andere Wicklung oder die anderen Wicklungen, je nach Zeitpunkt in der Periode. Das Fließen eines Gleichstroms ist bei der Anordnung davon unabhängig. Mit Hilfe des Gleichstroms kann der Energiespeicher geladen bzw. entladen werden.
  • Nun kann es sein, dass einer der Schalter ausfällt. Bei herkömmlichen Anordnungen mit Drehfeldmaschinen ist ein Betrieb derselben nur noch eingeschränkt, nämlich mit verschlechterter Drehmomentenwelligkeit, möglich, wenn eine Wicklung nicht mehr bestromt werden kann, und dies wäre bei Ausfall eines der Schalter auch vorliegend der Fall. Es wäre wünschenswert, wäre die elektrische Hilfskraftlenkung zumindest weitgehend ausfallsicher.
  • Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Anordnung der oben beschriebenen Art die Wirkungen des Ausfalls eines Schalters abzumildern.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 2 gelöst, und ferner durch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemä-ßen Anordnung gemäß Patentanspruch 5 gelöst.
  • Bei der Erfindung wird erfasst, ob einer der Wicklungszweige eine Funktionsstörung aufweist, also ob einer der Schalter ausfällt oder fehlerhaft arbeitet, ob eine Wicklung defekt ist oder eine Verbindungsleitung unterbrochen ist. Der Wicklungszweig kann überwacht werden, indem überprüft wird, ob Strom über die zugehörige Wicklung fließt. Bei Erfassen des Ausfalls eines Wicklungszweigs einer ersten Wicklung werden die ersten und zweiten Schalter, welche zu den beiden anderen Wicklungen und damit Wicklungszweigen gehören, im Wechsel derart geöffnet und geschlossen, dass jeweils ein Wechselstrom und ein Gleichstrom gleichzeitig über die beiden anderen Wicklungen (Wicklungszweige) fließen, wobei die zwei Wechselströme zueinander phasenverschoben sind und wobei das Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Schalter, die zu den beiden anderen Wicklungen gehören, derart angepasst wird, dass sich die Phasenverschiebung der Wechselströme in den beiden verbliebenen Wicklungen bei Ausfall eines Wicklungszweigs bezüglich der Phasenverschiebung der Wechselströme in den Wicklungen im Normalbetrieb reduziert.
  • Es ist Erkenntnis der Erfinder der vorliegend beanspruchten Idee, dass durch die Sternpunktschaltung bei Koppeln des Sternpunktes mit der Spannungsquelle ein zusätzlicher Freiheitsgrad bereitgestellt ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Steuereinrichtung zum Ansteuern der Schalter dazu ausgelegt, bei einem Ausfall eines der Schalter oder eines sonstigen Elements eines Wicklungszweiges nur die vier anderen Schalter anzusteuern, die zu einer anderen Wicklung und damit einem anderen Wicklungszweig gehören als der ausgefallene Schalter, und insbesondere derart, dass ein Wechselstrom, ggf. gleichzeitig mit einem Gleichstrom, über die beiden anderen Wicklungen und damit Wicklungszweige fließt, wobei die Steuereinheit weiterhin ausgelegt ist, das Ansteuern der anderen vier Schalter derart anzupassen, dass sich eine Phasenverschiebung der Wechselströme in den beiden verbliebenen Wicklungen bei Ausfall eines Wicklungszweigs bezüglich der Phasenverschiebung der Wechselströme in den Wicklungen im Normalbetrieb reduziert.
  • Wie schon eingangs dargestellt, sind die Schalter bevorzugt MOSFETs ausgebildet.
  • In dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug dient die Drehfeldmaschine insbesondere zum Bereitstellen eines unterstützenden Drehmoments im Rahmen einer elektrischen Hilfskraftlenkung.
  • Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
    • 1 schematisch die erfindungsgemäße Anordnung bei einem Fließen eines Gleichstroms über die Wicklungen zeigt und
    • 2 einen Graphen zeigt, der den Stromfluss in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt,
    • 3 schematisch die Anordnung aus 1 zeigt, um zu erläutern, wie ein Wechselstrom über die Wicklungen fließt und
    • 4 hierzu einen Graphen zeigt, der in Abhängigkeit von der Zeit den Stromfluss über eine der Wicklungen wiedergibt,
    • 5 die Anordnung aus 1 und 3 für den Fall zeigt, dass sowohl ein Gleichstrom als auch ein Wechselstrom über die Wicklungen fließt, und
    • 6 hierzu anhand eines Graphen den Stromfluss über eine Wicklung zeigt, und
    • 7 anhand dreier Graphen den Stromfluss über alle drei Wicklungen zeigt, und
    • 8 die Anordnung aus 5 für den Fall des Ausfalls eines Schalters zeigt, und
    • 9 eine der 7 entsprechende Darstellung des Stromflusses über zwei der drei Wicklungen ist.
  • Eine im Ganzen mit D bezeichnete Drehfeldmaschine umfasst drei Wicklungen W1, W2, W3, die mit einem Ende an einem Sternpunkt SP miteinander gekoppelt sind, der mit einem Spannungsanschluss einer Spannungsquelle B, die die Spannung UBat bereitstellt, gekoppelt ist. Die Wicklungen W1, W2 und W3 sind über Wechselrichter bzw. einen aktiven oder passiven Gleichrichter, vorliegend über jeweilige Halbbrücken mit einem kapazitiven Element C als Energiespeicher gekoppelt, über dem die Spannung Udc abfällt. Die Halbbrücken umfassen im vorliegenden Beispiel MOSFETs, wobei ein Ende der Wicklung W1 über einen ersten MOSFET M11 mit dem einen Anschluss des Energiespeichers C verbunden ist, und über einen zweiten MOSFET M12 mit einem zweiten Anschluss des Energiespeichers C gekoppelt ist. Gleichermaßen ist die zweite Wicklung W2 über einen ersten MOSFET M21 mit dem ersten Anschluss des Energiespeichers C gekoppelt, über einen zweiten MOSFET M22 mit dem zweiten Anschluss. Und gleichermaßen ist auch das dem Sternpunkt SP abgewandte Ende der Wicklung W3 über einen ersten MOSFET M31 mit dem einen Anschluss des Energiespeichers C gekoppelt und über einen zweiten MOSFET M32 mit dem zweiten Anschluss des Energiespeichers C gekoppelt. Die Pole der Batterie B des Energiespeichers C sind miteinander gekoppelt. Jede Halbbrücke bildet zusammen mit der zugehörigen Wicklung und in der Figur nicht bezeichneten Verbindungsleitungen einen Wicklungszweig.
  • Durch geeignete Ansteuerung mit Hilfe einer Steuereinrichtung S, symbolisiert in der Zeichnung lediglich für den einen MOSFET M11, kann das Fließen von Strom bewirkt werden.
  • In 1 ist davon ausgegangen, dass die Taktung des Öffnens und Schlie-ßens der einzelnen MOSFETs derart erfolgt, dass über jede Wicklung W1, W2, W3 ein Gleichstrom fließt. Fließt von der Batterie B aus ein Gleichstrom Idc, dann fließt über jede Wicklung der Gleichstrom Idc/3, vergleiche 2.
  • Die Taktung der Schaltung kann auch dergestalt sein, dass reine sinusförmige Wechselströme fließen: Fließt ein Wechselstrom gemäß 4 über die eine Wicklung W1, fließt dieser Wechselstrom über die andere Wicklung zurück, sodass eine Beaufschlagung der Wicklungen in Phase gegeben ist. Von der Batterie fließt dann kein Wechselstrom IAC weg, IAC ist also gleich Null.
  • Nun gilt vorliegend das Superpositionsprinzip: Die Taktung im Öffnen und Schließen der einzelnen Schalter kann derart erfolgen, dass sowohl ein Gleichstrom als auch ein davon unabhängiger Wechselstrom fließt. Dies ist in 5 für die Anordnung als Ganzes und als Graph für den Strom in 6 dargestellt. Man erhält somit eine Sinuswelle nach Art der in 4 gezeigten Sinuswelle, die aber um einen Gleichstromanteil von Idc/3 von der reinen Sinuswelle versetzt ist.
  • Für die drei Wicklungen insgesamt ergeben sich Sinuskurven K1, K2 und K3.
  • Nun kann es sein, dass einer der Schalter ausfällt, dies ist in 8 durch einen durchgestrichenen Schalter M12 veranschaulicht. Es kann dann eine Wicklung, im vorliegenden Falle die Wicklung W1, nicht mehr mit Strom beaufschlagt werden. Im Rahmen eines Notlaufbetriebes werden dann nur noch die MOSFETs M21, M22, M31 und M32 angesteuert, gemäß den Kurven K1' und K2'. Es fließt dann insgesamt als Batteriestrom der Strom gemäß der Kurve Kgesamt'. Dieser Strom hat einen Gleichstromanteil und zusätzlich einen Wechselstromanteil. Durch die Sternpunktschaltung mit dem Sternpunkt SP ist ein Freiheitsgrad bei der Beschaltung der Drehfeldmaschine D gegeben, der es ermöglicht, auf die Ansteuerung der dritten Wicklung zu verzichten; und dennoch kann die Maschine betrieben werden, der Rotor der Maschine dreht sich.
  • Im Rahmen der Erfindung ist somit vorgesehen, dass die Steuereinheit S den Ausfall eines der Schalter erkennt, z. B. weil er sich nicht mehr ansteuern lässt oder in der zugehörigen Wicklung kein Strom fließt, was durch eine geeigneten Stromstärkenmesser erfasst werden kann. Wird der Ausfall eines der MOSFETs erfasst, dann bewirkt die Steuereinrichtung S eine Ansteuerung der zu den anderen Wicklungen gehörigen MOSFETs gemäß 9.
  • Die Erfindung ist auch bei elektrischen Maschinen mit mehr als drei Phasen anwendbar.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Drehfeldmaschine (D) mit drei Wicklungen (W1, W2, W3), denen jeweils ein Wicklungszweig mit Verbindungsleitungen zugeordnet ist, in dem die Wicklungen mit einem jeweiligen ersten Ende in einem Sternpunkt (SP) miteinander gekoppelt sind, der mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle (B) oder einem Filterelement gekoppelt ist, und in dem die Wicklungen mit ihrem jeweiligen zweiten Ende einerseits über einen jeweiligen ersten Schalter (M11, M21, M31) mit einem ersten Pol eines kapazitiven Elements oder einer Batterie (C) gekoppelt sind und andererseits über einen jeweiligen zweiten Schalter (M12, M22, M32) mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle (B) bzw. des Filterelements und einem zweiten Pol des kapazitiven Elements (C) bzw. der Batterie gekoppelt sind, wobei im Normalbetrieb alle ersten Schalter (M11, M21, M31) und alle zweiten Schalter (M12, M22, M32) im Wechsel derart geöffnet und geschlossen werden, dass jeweils ein Wechselstrom über die Wicklungen (W1, W2, W3) fließt, wobei jeweils zwei der Wechselströme zueinander phasenverschoben sind, dadurch gekennzeichnet, dass erfasst wird, ob in einem Wicklungszweig einer der Schalter oder die zugehörige Wicklung oder eine zugehörige Verbindungsleitung ausfällt oder nicht voll funktionsfähig ist und bei Erfassen eines solchen Ausfalls eines Wicklungszweigs mit einer ersten Wicklung die ersten und zweiten Schalter, die zu den beiden anderen Wicklungen gehören, im Wechsel derart geöffnet und geschlossen werden, dass jeweils ein Wechselstrom und gleichzeitig damit ein Gleichstrom über die beiden anderen Wicklungen (W2, W3) fließt, wobei das Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Schalter, die zu den beiden anderen Wicklungen gehören, derart angepasst wird, dass sich die Phasenverschiebung der Wechselströme in den beiden verbliebenen Wicklungen bei Ausfall eines Wicklungszweigs bezüglich der Phasenverschiebung der Wechselströme in den Wicklungen im Normalbetrieb reduziert.
  2. Anordnung mit einer Drehfeldmaschine (D) mit drei Wicklungen (W1, W2, W3), denen jeweils ein Wicklungszweig mit Verbindungsleitungen zugeordnet ist, in dem die Wicklungen mit einem jeweiligen ersten Ende in einem Sternpunkt (SP) miteinander gekoppelt sind, der mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle (B) oder einem Filterelement gekoppelt ist, und in dem die Wicklungen mit ihrem jeweiligen zweiten Ende einerseits über einen jeweiligen ersten Schalter (M11, M21, M31) mit einem ersten Pol eines kapazitiven Elements (C) oder einer Batterie gekoppelt sind und andererseits über einen jeweiligen zweiten Schalter (M12, M22, M32) mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle (B) bzw. des Filterelements und einem zweiten Pol des kapazitiven Elements (C) bzw. der Batterie gekoppelt sind, wobei die Anordnung eine Steuereinheit (S) zum Ansteuern der Schalter umfasst, welche dazu ausgelegt ist, bei einem Ausfall oder einer Fehlfunktion eines der Schalter (M12) oder der zugehörigen Wicklung oder einer zugehörigen Verbindungsleitung in einem Wicklungszweig nur die vier anderen Schalter (M21, M22, M31, M32) anzusteuern, die zu einem anderen Wicklungszweig (W2, W3) gehören als der ausgefallene Schalter (M11 oder M12) oder die ausgefallene Wicklung oder die ausgefallene Verbindungsleitung in einem Wicklungszweig, wobei die Steuereinheit (S) weiterhin ausgelegt ist, das Ansteuern der anderen vier Schalter (M21, M22, M31, M32) derart anzupassen, dass sich eine Phasenverschiebung der Wechselströme in den beiden verbliebenen Wicklungen (W2, W3) bei Ausfall eines Wicklungszweigs bezüglich der Phasenverschiebung der Wechselströme in den Wicklungen (W1, W2, W3) im Normalbetrieb reduziert.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter MOSFETs (M11, M12; M21, M22; M31, M32) sind.
  4. Kraftfahrzeug mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, in dem die Drehfeldmaschine zum Bereitstellen eines unterstützenden Moments im Rahmen einer elektrischen Hilfskraftlenkung dient.
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