DE102011076722B4 - Verfahren zur Stromermittlung in einer mehrphasigen Maschine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Stromermittlung in einer mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen mehrphasigen Maschine, welche einen mit einem Zwischenkreiskondensator versehenen Zwischenkreis und pro Phase einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter aufweist, wobei eine Messung des Spannungsverlaufes am Zwischenkreiskondensator (3, 3a) vorgenommen wird und aus dem gemessenen Spannungsverlauf (U_zk) der Strom (I_Bat) der Gleichspannungsquelle (V_bat) und/oder ein oder mehrere Phasenströme ermittelt werden, wobei die Ermittlung des Stroms der Gleichspannungsquelle und/oder eines oder mehrerer Phasenströme unter Berücksichtigung des jeweils aktuellen Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators (3, 3a) erfolgt, wobei zur Ermittlung des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators (3, 3a) eine Messung der Temperatur des Zwischenkreiskondensators oder ein Einprägen eines definierten Stromes bei stehender Maschine oder ein Einprägen eines messbaren Stromes erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromermittlung in einer mehrphasigen Maschine.
• Stand der Technik
• Elektrische Drehfeldantriebe sind bekannt. Dabei kommen wie in der DE 10 2010 001 774 A1 beschrieben, verschiedene Modulationsarten zum Einsatz. Sehr verbreitet bei Drehfeldantrieben ist ein Einsatz einer Pulsweitenmodulation (PWM). Eine Regelung bei derartigen Drehfeldantrieben erfolgt in Abhängigkeit von den jeweils vorliegenden Erfordernissen nach einer der folgenden Methoden:
• - Verwendung einer sinusförmigen Stromregelung (Sinuskommutierung),
• - Verwendung einer blockförmigen Stromregelung (Blockbestromung),
• - Verwendung von blockförmigen Spannungen (Steuerung mit Blockspannungen),
• - Verwendung einer sinusförmigen Spannungsregelung mit überlagerten Nullspannungen.
• Grundsätzlich lassen sich die vorstehend genannten Techniken bei elektrischen Maschinen mit einer beliebigen Phasenzahl anwenden. In der Praxis findet man am Häufigsten elektrische Maschinen mit drei Phasen. Es gibt jedoch auch elektrische Maschinen mit einer anderen Phasenzahl, beispielsweise elektrische Maschinen mit einer, zwei, vier, fünf, sechs, sieben oder neun Phasen.
• Des Weiteren sind bereits sogenannte Start-Stopp-Systeme bekannt. Diese dienen zum Stoppen und Wiederstarten eines Verbrennungsmotors zum Zwecke einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen.
• Ein von der Anmelderin entwickeltes Start-Stopp-System arbeitet auf der Basis von konventionellen Startern. Dabei wird der jeweilige Starter durch ein elektronisches Steuergerät angesteuert und greift mittels eines Ritzels in einen am Schwungrad vorgesehenen Zahnkranz ein.
• Des Weiteren wurde bereits vorgeschlagen, einen Startergenerator im Riementrieb (RSG) auf Basis eines Klauenpolgenerators mit einem zusätzlichen elektronischen Steuergerät zu realisieren. Bei derartigen Startergeneratoren werden oftmals die Phasen direkt über elektronische Halbleiterschalter mit einer Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie verbunden, ohne dass ein Taktverfahren wie beispielsweise die PWM angewendet wird.
• Um im Bremsfall höhere Energien rekuperieren zu können, sind Systeme mit höheren Spannungen notwendig. Bei höheren Spannungen wird für ein Starten des Verbrennungsmotors eine Taktung der Versorgungsspannung im Umrichter notwendig, um den Strom in der Maschine auf einen vorgegebenen maximalen Wert zu begrenzen. Ein getakteter Umrichter erfordert einen Zwischenkreis mit Kondensatoren hoher Kapazität, um die Wechselanteile im Aufnahmestrom zu glätten. In den Endstufen bestimmt oftmals die Dimensionierung der Zwischenkreise den Platzbedarf für die jeweilige Endstufe.
• Wie oben ausgeführt wurde, kommen bei den genannten Maschinen Betriebsarten mit Taktverfahren (PWM) bei höheren Spannungen und Betriebsarten mit Blockkommutierungen (ohne PWM) bei niedrigeren Spannungen oder bei höheren Drehzahlen zum Einsatz. Bei den Taktverfahren ist eine Strommessung von besonderer Bedeutung, da bei diesen Taktverfahren eine Stromregelung durchgeführt wird, zu welcher eine Messung der Istströme notwendig ist.
• Für eine Strommessung in den einzelnen Phasen der elektrischen Maschine kommen entweder Shunt-Widerstände zum Einsatz, die den Strom in ein äquivalentes Spannungssignal umwandeln, oder es werden indirekte Strommessverfahren verwendet, beispielsweise Stromübertrager oder LEM-Wandler.
• Die EP 1 936 794 A2 betrifft die Messung des Ausgangsstroms eines Frequenzumrichters, der eine an ein Wechselstromnetz anschließbare Netzbrücke und eine an eine Wechselstromlast anschließbare steuerbare dreiphasige Lastbrücke enthält und einen Gleichspannungszwischenkreis zwischen ihnen, der einen Filterkondensator enthält, wobei die Lastbrücke steuerbare Halbleiterschalter in jeder Phase enthält, die durch Pulsbreitenmodulation gesteuert werden und in denen die Ströme der Ausgangsphasen mittels Abtastwerten des Stroms des Filterkondensators des Gleichstromzwischenkreises bestimmt werden.
• Die WO 2009/092 848 A2 betrifft die Überwachung des Zustands einer Kondensatoranordnung eines Gleichspannungszwischenkreises eines Leistungselektronikgerätes, beispielsweise eines Frequenzumrichters, wobei die Entladespannung über der Kondensatoranordnung in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird und wobei der Zwischenkreis mit einer vorgegebenen Gleichspannung vorgeladen wird, die Vorladung aus dem Zwischenkreis entfernt wird und die Spannung des Zwischenkreises durch Abtasten gemessen wird.
• Die 1 zeigt eine an eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie B angeschlossene fünfphasige elektrische Maschine, die einen Generator 1, eine Leistungselektronik 2 und einen Zwischenkreis 3 aufweist. Der Generator 1 weist in seinem Inneren fünf Phasenanschlüsse auf, die über Phasenleitungen mit den Zweigen Z1 bis Z5 der Leistungselektronik 2 verbunden sind. In den Phasenleitungen fließen Phasenströme I_X bis I_Y, wie es in der 1 angedeutet ist.
• Der Zweig Z1 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS1 und einen Lowside-Schalter LS1 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
• Der Zweig Z2 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS2 und einen Lowside-Schalter LS2 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine weitere Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
• Der Zweig Z3 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS3 und einen Lowside-Schalter LS3 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine weitere Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
• Der Zweig Z4 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS4 und einen Lowside-Schalter LS4 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine weitere Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
• Der Zweig Z5 der Leistungselektronik 2 enthält einen Highside-Schalter HS5 und einen Lowside-Schalter LS5 und ist an einem Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Schaltern über eine weitere Phasenleitung mit dem Generator 1 verbunden.
• Der Zwischenkreis 3 der gezeigten Maschine weist einen Zwischenkreiskondensator 3a auf.
• Die Schalter der Leistungselektronik 2 werden von einer nicht gezeichneten Steuereinheit mit Steuersignalen beaufschlagt, um beispielsweise beim Anlaufen der Maschine ein Drehfeld zu erzeugen.
• Wie aus der 1 ersichtlich ist, gilt für die in der Maschine fließenden Ströme die folgenden Beziehung: $$\text{I\_Bat}=\text{I\_Gen}+\text{I\_ZK}$$

  
• Dabei handelt es sich bei I_Bat um den Strom der Gleichspannungsquelle, bei I_Gen um den Generatorstrom und bei I_ZK um den Zwischenkreisstrom.
• Es ist bereits bekannt, bei einer elektrischen Maschine, wie sie in der 1 gezeigt ist, Strommessungen unter Verwendung von Shunt-Widerständen vorzunehmen, die in die Phasenleitungen zwischen den Zweigen Z1 bis Z5 und dem Generator 1 eingesetzt sind. Dies ist in der 2 veranschaulicht. Dies hat den Nachteil, dass in allen Betriebsmodi der elektrischen Maschine sehr hohe Verlustleistungen umgesetzt werden, die zu einer unerwünschten zusätzlichen Erwärmung des Endstufenbereiches während des gesamten Arbeitsbetriebes der Maschine führen. Dies ist dadurch begründet, dass die Shunt-Widerstände mit dem vollen Betriebsstrom der Maschine beaufschlagt werden.
• Des Weiteren ist es bereits bekannt, bei einer elektrischen Maschine, wie sie in der 1 gezeigt ist, Strommessungen unter Verwendung von Shunt-Widerständen vorzunehmen, die in den Zweigen der Leistungselektronik 2 angeordnet sind, beispielsweise im Lowsidebereich des jeweiligen Zweiges. Dies ist in der 3 veranschaulicht. Auch dies hat den Nachteil, dass in allen Betriebsmodi der elektrischen Maschine sehr hohe Verlustleistungen umgesetzt werden, die zu einer unerwünschten zusätzlichen Erwärmung des Endstufenbereiches während des gesamten Arbeitsbetriebes der Maschine führen. Dies ist dadurch begründet, dass die Shunt-Widerstände mit dem vollen Betriebsstrom der Maschine beaufschlagt werden.
• Weitere Nachteile der in den 2 und 3 gezeigten Strommessungen bestehen darin, dass eine vergleichsweise hohe Anzahl von Auswerteschaltungen vorgehalten werden muss und eine Messung des Stroms der Gleichspannungsquelle mit dieser Anordnung nicht möglich ist. Es ist in diesen Konfigurationen lediglich eine Schätzung des Stroms der Gleichspannungsquelle über die gemessenen Phasenströme und die Ansteuerdauern möglich.
• Offenbarung der Erfindung
• Ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondere tritt keine unerwünschte zusätzliche Erwärmung des Endstufenbereiches auf und es bedarf keiner hohen Anzahl von Auswerteschaltungen. Diese Vorteile werden dadurch erreicht, dass bei einem Verfahren zur Stromermittlung bei einer mehrphasigen Maschine, welche einen mit einem Kondensator versehenen Zwischenkreis und pro Phase einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter aufweist, die Stromermittlung unter Verwendung einer Spannungsmessung im Zwischenkreis durchgeführt wird.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender Erläuterung anhand der 4 - 11. Es zeigt
• 4 eine fünfphasige Maschine, bei welcher eine Spannungsmessung im Zwischenkreis erfolgt,
• 5 Diagramme zur Veranschaulichung eines Center-Aligned-Ansteuerungsmusters, der dabei auftretenden Zwischenkreisspannung und des dabei auftretenden Zwischenkreisstromes,
• 6 - 8 verschiedene Schalterstellung der Leistungselektronik und die jeweils zugehörige Zusammensetzung des durch den Zwischenkreiskondensator fließenden Zwischenkreisstromes,
• 9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators von der Temperatur,
• 10 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des Kapazitätswertes des Zwischenkreiskondensators von der Temperatur und
• 11 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine Zuschaltung eines Phasenstromes und den zugehörigen Verlauf der Zwischenkreisspannung.
• Die 4 zeigt eine an eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie angeschlossene fünfphasige Maschine, bei welcher eine Spannungsmessung im Zwischenkreis erfolgt. Diese Spannungsmessung erfolgt am Zwischenkreiskondensator 3a, der zwischen den Anschlüssen der Gleichspannungsquelle, beispielsweise zwischen den Batterieanschlüssen der Fahrzeugbatterie, angeordnet ist, und liefert eine Information über die momentan am Zwischenkreiskondensator 3a anliegende Zwischenkreisspannung U_ZK. Die weitere Anordnung der Maschine stimmt mit der in der 1 gezeigten Maschine überein.
• Für die Zwischenkreisspannung U_ZK der Maschine gilt für jeden Zeitpunkt die folgende Beziehung: $$\text{U\_ZK}=\text{I\_ZK}·\text{ESR}+\frac{1}{C}{\displaystyle \int i_{ZK}dt,}$$

  

  wobei C die Kapazität des Zwischenkreiskondensators und ESR der innere Widerstand des Zwischenkreiskondensators ist. Für einen konstanten Strom I_ZK gilt $$\text{U\_ZK}=\text{I\_ZK}·\text{ESR}+{\text{U}}_{\text{O}}+\frac{I\_ZK}{C}·\mathrm{\Delta }t.$$

  
• Folglich kann aus einer Beobachtung der Kondensatorspannung der Kondensatorstrom ermittelt werden.
• Die Ansteuerung der Schalter der Leistungselektronik erfolgt beispielsweise nach einer sogenannten Center-Aligned-Ansteuerung. Bei dieser ist der Zeitbereich für den Stromfluss auf einen kleinen Zeitbereich konzentriert. Ein Ansteuermuster für eine derartige Center-Aligned-Ansteuerung, der zugehörige Verlauf der Zwischenkreisspannung und der zugehörige Verlauf des Zwischenkreisstromes sind in den in der 5 gezeigten Diagrammen veranschaulicht. Dabei sind in der 5a die Ansteuersignale AS für die Schalter der Leistungselektronik, in der 5b die Zwischenkreisspannung U_ZK und in der 5c der zugehörige Zwischenkreisstrom I_ZK veranschaulicht.
• Aus der 5a ist ersichtlich, dass bei einer Center-Aligned-Ansteuerung die Pulsmitten der Ansteuerimpulse zeitlich übereinstimmen, wie es durch eine senkrecht verlaufende, strichpunktierte Linie in der 5a angedeutet ist. Ferner geht aus der 5a hervor, dass die Flanken der Ansteuerimpulse zeitlich voneinander verschieden sind und sich in einem begrenzten zeitlichen Bereich befinden. Mit dem Text „Freilauf LS“ ist angedeutet, dass in diesem Zeitintervall alle Lowside-Schalter durchgesteuert sind. Mit dem Text „Freilauf HS“ ist angedeutet, dass in diesem Zeitintervall alle Highside-Schalter durchgesteuert sind. Mit dem Text „Antrieb“ wird zum Ausdruck gebracht, dass in diesem engen Zeitfenster durch die Schalterstellungen die elektrische Maschine an die äußere Spannung angeschlossen wird. Dadurch wird eine Stromänderung in den Ständerwicklungen der Maschine hervorgerufen. Befindet sich ein Ansteuerimpuls auf seinem hohen Spannungsniveau, dann ist der jeweils zugehörige Highside-Schalter durchgesteuert. Befindet sich ein Ansteuerimpuls auf seinem niedrigen Ansteuerniveau, dann ist der jeweils zugehörige Lowside-Schalter durchgesteuert.
• In der 5b ist der Verlauf der Zwischenkreisspannung U_ZK veranschaulicht, der sich im Falle einer Center-Aligned-Ansteuerung gemäß der 5a ergibt. Es ist ersichtlich, dass bei jedem Schaltvorgang gemäß 5a ein Spannungssprung in der 5b auftritt und dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungssprüngen ein linear ansteigender oder ein linear abfallender Spannungsverlauf, d. h. eine Rampe, vorliegt.
• Aus dem in der 5c gezeigten Verlauf des Zwischenkreisstromes I_ZK ist ersichtlich, dass im Falle einer Center-Aligned-Ansteuerung gemäß der 5a bei jedem Schaltvorgang auch eine sprunghafte Stromveränderung erfolgt und dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromsprüngen ein konstanter Stromverlauf vorliegt.
• Ein Vergleich der 5b und 5c zeigt, dass beim Auftreten eines Stromsprunges auch ein Spannungssprung auftritt, und dass beim Auftreten eines konstanten Stromverlaufes ein linear abfallender oder ein linear ansteigender Spannungsverlauf vorliegt.
• Aus den vorstehenden Erläuterungen zu 5 ist ersichtlich, dass zu jedem augenblicklichen Zeitpunkt der durch den Zwischenkreiskondensator 3a fließende Zwischenkreisstrom eindeutig definiert ist.
• Nachfolgend wird anhand der 6, 7 und 8 die Zusammensetzung des durch den Zwischenkreiskondensator 3a fließenden Zwischenkreisstromes zu verschiedenen Zeitpunkten beispielhaft erläutert, wobei in diesen Figuren die Phasenströme im Unterschied zu den vorhergehenden Figuren mit 11, 12, 13, 14 und 15 bezeichnet sind.
• Gemäß der 6 sind alle Highside-Schalter geöffnet und alle Lowside-Schalter durchgesteuert bzw. geschlossen. In diesem Zustand der Schalter kann durch eine Messung des durch den Zwischenkreiskondensator 3a fließenden Zwischenkreisstromes I_ZK der Strom der Gleichspannungsquelle I_Bat ermittelt werden. Denn in diesem Zustand gilt stets: $$\text{I\_Gen}=0$$

  

  und $$\text{I\_Bat}=\text{I\_ZK}.$$

  
• Die Zeiträume, in denen alle Highside-Schalter geöffnet und alle Lowside-Schalter durchgesteuert bzw. geschlossen sind, sind in der 5a mit dem Text „Freilauf LS“ bezeichnet. Ein möglicher Messzeitpunkt ist in der 5c mit t1 bezeichnet.
• Wird - wie es in der 7 veranschaulicht ist - der Highside-Schalter HS3 geschlossen und der zugehörige Lowside-Schalter LS3 geöffnet, dann gilt die folgende Beziehung: $$\text{I\_3}=\text{I\_Bat}-\text{I\_ZK}.$$

  
• Folglich kann bei bereits bekanntem Strom der Gleichspannungsquelle durch eine Differenzbildung des Stromes der Gleichspannungsquelle mit dem im Zeitraum nach der Zuschaltung des ersten Phasenstromes I_3 gemessenen Zwischenkreisstrom der Phasenstrom I_3 durch die vorstehend genannte Beziehung ermittelt werden. Ein möglicher Messzeitpunkt ist in der 5c mit t2 bezeichnet.
• Wird dann - wie es in der 8 veranschaulicht ist - der Highside-Schalter HS2 geschlossen und der zugehörige Lowside-Schalter LS2 geöffnet, dann gilt die folgende Beziehung: $$\text{I\_2}=\text{I\_Bat}-\text{I\_ZK}-\text{I\_3}.$$

  
• Folglich können bei bereits bekanntem Strom der Gleichspannungsquelle und bereits bekanntem Phasenstrom I_3 im Zeitraum nach der Zuschaltung des zweiten Phasenstromes I_2 durch eine Messung des Zwischenkreisstromes Rückschlüsse auf den Phasenstrom I_2 durch eine Anwendung der vorstehenden Beziehung gezogen werden. Ein möglicher Messzeitpunkt ist in der 5c mit t3 bezeichnet.
• Entsprechend gilt im Zeitraum nach der Zuschaltung des dritten Phasenstroms I_1 die folgende Beziehung: $$\text{I\_1}=\text{I\_Bat}-\text{I\_ZK}-\text{I\_3}-\text{I\_2}.$$

  
• Folglich können im Zeitraum nach der Zuschaltung des dritten Phasenstromes I_1 durch eine Messung des Zwischenkreisstromes Rückschlüsse auf den Phasenstrom I_1 durch eine Anwendung der vorstehenden Beziehung gezogen werden.
• Im Zeitraum nach der Zuschaltung des vierten Phasenstromes I_4 gilt die folgende Beziehung: $$\text{I\_4}=\text{I\_Bat}-\text{I\_ZK}-\text{I\_3}-\text{I\_2}-\text{I\_1}.$$

  
• Folglich können im Zeitraum nach der Zuschaltung des vierten Phasenstromes I_4 durch eine Messung des Zwischenkreisstromes Rückschlüsse auf den Phasenstrom I_4 durch eine Anwendung der vorstehenden Beziehung gezogen werden.
• Es gilt folglich innerhalb eines Ansteuerzyklus die folgende allgemeine Beziehung: $$\text{I\_Phase}\left(\text{neu}\right)=\text{I\_Bat}-\text{I\_ZK}-\text{I\_Phasen}\left(\text{bisher}\right),$$

  

  wobei
• I_Phase(neu) der jeweils neu zugeschaltete Phasenstrom,
• I_Bat der Strom der Gleichspannungsquelle,
• I_ZK der aktuell gemessene Zwischenkreisstrom und
• I_Phasen(bisher) die im vorliegenden Ansteuerzyklus bisher ermittelten Phasenströme sind.
• Bei der in der 4 gezeigten Maschine werden Schwankungen des Zwischenkreisstromes durch den Zwischenkreiskondensator 3a aufgenommen. Aus der Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, wird wegen der Netzinduktivitäten (Induktivität der Anschlussleitungen und Induktivität von Entstördrosseln) weitgehend nur ein Gleichstrom entnommen. Da es sich bei einem Zwischenkreiskondensator um kein ideales Bauelement mit unendlicher Kapazität handelt, ergeben sich durch die Schwankungen des Kondensatorstromes auch Schwankungen der Kondensatorspannung. Diese Schwankungen der Kondensatorspannung weisen im Wesentlichen zwei Anteile auf:
• Zum einen erfolgt aufgrund der Kapazität des Kondensators je nach momentaner Stromrichtung ein Anstieg oder ein Abfall der Kondensatorspannung: $$\text{U}=1\text{/}C·{\displaystyle \int Idt}$$
  
  $$\text{Für I}=\text{konstgilt}:\text{U}\left(\text{t}\right)={\text{U}}_{\text{O}}+\frac{I}{C}·\mathrm{\Delta }t.$$
  
• Zum anderen besitzt der Kondensator einen ohmschen Innenwiderstand, der einen Spannungssprung am Kondensator erzeugt, welcher dem schwankenden Kondensatorstrom direkt proportional ist: $$\text{U}=\text{R}·\text{I}$$
  
• Folglich ist für den Spannungssprung, der jeweils bei einem Schaltvorgang gemäß 5a auftritt, der Innenwiderstand des Zwischenkreiskondensators verantwortlich. Für den kontinuierlichen Soannunasanstiea bzw. Soannunasabfall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungssprüngen ist die Kapazität des Zwischenkreiskondensators verantwortlich. Dies bedeutet, dass bei Kenntnis des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators über die Spannungssprünge oder bei Kenntnis der Kapazität des Zwischenkreiskondensators über die Rampen der Kondensatorspannung auf die Phasenströme des Generators rückgeschlossen werden kann. Somit besteht die Möglichkeit, eine Erfassung der Phasenströme und des Stroms der Gleichspannungsquelle unter Verwendung des gemessenen Spannungsverlaufes am Zwischenkreiskondensator vorzunehmen. Ausgewertet werden dabei die zu den Schaltzeitpunkten auftretenden Spannungssprünge und/oder die zwischen zwei Schaltzeitpunkten auftretenden Spannungsänderungen (Rampen).
• Sowohl der Innenwiderstand ESR des Zwischenkreiskondensators als auch die Kapazität C des Zwischenkreiskondensators sind stark abhängig von der Temperatur, von Alterungseffekten und von Fertigungsstreuungen.
• Die Abhängigkeit des Innenwiderstandes ESR von der Temperatur ist in der 9 veranschaulicht, die Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur in der 10.
• Folglich besteht die Notwendigkeit, die genannten Parameter im Betrieb der Maschine in Ruhephasen, beispielsweise während eines Nachlaufes oder beim Vorliegen einer ruhenden Maschine, aktuell zu ermitteln.
• Dies kann in vorteilhafter Weise unter Verwendung einer Messung der Temperatur des Zwischenkreiskondensators erfolgen. Da diese Temperatur insbesondere beim Vorliegen eines Elektrolytkondensators einen wesentlichen Einflussfaktor auf den Innenwiderstand ESR hat, kann diesem Einflussfaktor unter Verwendung einer Temperaturmessung im Sinne einer Vorsteuerung entgegengewirkt werden.
• In vielen Fällen ist bezüglich der Elektrik eines Umrichters bereits ohnehin eine Temperaturerfassung vorgesehen, beispielsweise zu Überwachungszwecken und/oder als Überlastschutz. Diese Temperaturerfassung kann in vorteilhafter Weise mitbenutzt werden, da im Ruhestand, d. h. bei abgeschalteter Endstufe, die Temperatur der Elektronik nur unwesentlich von der Temperatur des Zwischenkreiskondensators abweicht. Über ein Kennfeld kann ein Versteuerwert für ESR und C des Kondensators ermittelt werden.
• Eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit besteht darin, einen definierten Strom zur Ermittlung des Innenwiderstandes einzuprägen. Durch eine Einstellung eines festen Tastverhältnisses bzw. Duty-Cycles kann bei Kenntnis der Ständerwiderstände eine feste effektive Spannung und damit ein berechenbarer Strom eingestellt werden. Durch eine Beobachtung bzw. Messung eines Spannungssprunges kann der aktuelle Innenwiderstand ESR ermittelt werden. Auch durch eine Beobachtung bzw. Messung eines kontinuierlichen Spannungsanstiegs oder Spannungsabfalls kann die aktuelle Kapazität des Zwischenkreiskondensators ermittelt werden.
• Eine weitere zusätzliche oder alternative Möglichkeit besteht darin, einen messbaren Erregerstrom einzuprägen. Wird ein Strom über einen bekannten ohmschen Widerstand getaktet, dann kann aus dem Widerstand und der gemessenen Spannung der Strom ermittelt werden. Dieser Strom kann herangezogen werden, um über die gemessenen Spannungsschwankungen das Messsystem zu eichen. Hierzu kann bei kalter Maschine und bekanntem Strangwiderstand der Maschine ein bestimmtes Taktverhältnis vorgegeben werden und der sich einstellende Strom genutzt werden.
• Für fremderregte Maschinen ergibt sich die Möglichkeit, einen Erregerstrom mit Strommessung anzutakten, den sich einstellenden Erregerstrom mit einem Stromerfassungssystem zu messen und den Spannungssprung, der sich durch das Taktverfahren am Zwischenkreis ergibt, mit zu messen. Durch einen Vergleich zwischen einem gemessenen Erregerstrom einerseits und einem gemessenen Spannungsverlauf am Zwischenkreiskondensator andererseits ist eine Ermittlung des aktuellen Innenwiderstands des Zwischenkreiskondensators und der aktuellen Kapazität des Zwischenkreiskondensators möglich.
• Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, einen gesonderten Eichwiderstand zu verwenden, der ausschließlich zur Eichung der Stromermittlung herangezogen wird.
• In einer weiteren Ausführungsform ist es auch denkbar, eine der 5 vorliegenden Phasen mit einer Phasenstrommessung auszustatten, anhand dieser Phasenstrommessung die erfindungsgemäße Messmethode zu eichen und alle weiteren Ströme über die Spannungsbeobachtung am Zwischenkreis vorzunehmen. Dazu muss der Spannungssprung durch den messbaren Strom ausgewertet werden. Dann ergibt sich der aktuelle ESR zu $$\text{ESR}=\frac{\mathrm{\Delta }U}{I_{Phas,gem}}.$$

  
• Aus der Differenz der Rampe vor und nach Zuschaltung des gem. Phasenstromes ergibt sich für die Kapazität des Zwischenkreiskondensators: $$\text{C}=\frac{I_{Phas,gem}}{Ramp{e}_1-Ramp{e}_2}$$

  
• Dies ist in der 11 veranschaulicht, die ein Beispiel für die Zuschaltung eines Phasenstromes und den zugehörigen Verlauf der Zwischenkreisspannung U_ZK zeigt.
• Ein Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt nach alledem eine Erfassung von mehreren relevanten Strömen in der Ansteuerung eines Motors mit Hilfe einer Auswertung des Spannungsverlaufes am Zwischenkreiskondensator. Dadurch wird der zur Stromerfassung notwendige Hardwareaufwand im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung eine Ermittlung von relevanten Strömen ohne eine Erhöhung der Gesamtverlustleistung des Systems, indem die nicht idealen Eigenschaften des Zwischenkreiskondensators genutzt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Stromermittlung in einer mit einer Gleichspannungsquelle verbundenen mehrphasigen Maschine, welche einen mit einem Zwischenkreiskondensator versehenen Zwischenkreis und pro Phase einen Highside-Schalter und einen Lowside-Schalter aufweist, wobei eine Messung des Spannungsverlaufes am Zwischenkreiskondensator (3, 3a) vorgenommen wird und aus dem gemessenen Spannungsverlauf (U_zk) der Strom (I_Bat) der Gleichspannungsquelle (V_bat) und/oder ein oder mehrere Phasenströme ermittelt werden, wobei die Ermittlung des Stroms der Gleichspannungsquelle und/oder eines oder mehrerer Phasenströme unter Berücksichtigung des jeweils aktuellen Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators (3, 3a) erfolgt, wobei zur Ermittlung des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators (3, 3a) eine Messung der Temperatur des Zwischenkreiskondensators oder ein Einprägen eines definierten Stromes bei stehender Maschine oder ein Einprägen eines messbaren Stromes erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung von im gemessenen Spannungsverlauf (U_zk) auftretenden Spannungssprüngen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung von im gemessenen Spannungsverlauf (U_zk) auftretenden Spannungsrampen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Innenwiderstandes des Zwischenkreiskondensators eine ohnehin vorhandene Temperaturerfassung mit verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke einer Eichung ein Phasenstrom gemessen wird und die weiteren Phasenströme unter Verwendung einer Messung des Spannungsverlaufes (U_zk) am Zwischenkreiskondensator (3, 3a) ermittelt werden.

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