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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Rotortemperatur einer elektrischen Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, wobei die Rotortemperatur zumindest in Abhängigkeit von Blindleistungen und/oder in Abhängigkeit von Verlusten der elektrischen Maschine bestimmt wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogramm-Produkt.
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Stand der Technik
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Die Rotortemperatur einer Asynchronmaschine stellt eine wichtige Information sowohl für die Drehmomentgenauigkeit bei einer feldorientierten Regelung als auch für den Temperaturschutz der elektrischen Maschine dar. Aus Kostengründen wird ein Telemetriesystem zum Messen der Rotortemperatur im Serieneinsatz in der Regel nicht eingesetzt. Üblicherweise wird daher die Rotortemperatur durch Modellberechnungen bestimmt. Bekannt ist es dabei, die Rotortemperatur durch ein elektromagnetisches Modell, das die Rotortemperatur in Abhängigkeit von Blindleistungen der elektrischen Maschine bestimmt, oder in Abhängigkeit von einem thermischen Modell, das die Rotortemperatur in Abhängigkeit von Verlusten bestimmt, ermittelt wird. Das elektromagnetische Modell beruht auf dem Abgleich zwischen einer berechneten Blindleistung aus Phasenspannung und Strom und einer berechneten Blindleistung aus einem Flussmodell, das von Motorparametern, Statorfrequenz und Strom, abhängt. Eine Kombination dieser Methoden, um deren Einsatzbereich zu erweitern, ist ebenfalls bereits bekannt.
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Das thermische Modell benötigt Verluste als Eingangswerte, wobei die Genauigkeit der Verlustberechnung einen wesentlichen Einfluss auf die geschätzte beziehungsweise bestimmte Rotortemperatur hat. Eine genaue analytische Berechnung oder die experimentelle Ermittlung von Verlusten in der elektrischen Maschine, insbesondere in der Asynchronmaschine, ist jedoch sehr aufwändig.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Nachteile der bekannten Verfahren überwunden und eine Möglichkeit zur Rotortemperaturbestimmung bereitgestellt wird, die eine sichere und ausreichend genaue Bestimmung der Rotortemperatur in jedem Betriebszustand oder Betriebsbereich der elektrischen Maschine gewährleistet. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass eine erste Rotortemperatur in Abhängigkeit von der Blindleistung bestimmt und durch eine zweite, in Abhängigkeit von den Verlusten bestimmte Rotortemperatur in Abhängigkeit von einem Betriebsbereich der elektrischen Maschine plausibilisiert oder ersetzt wird. Die beiden zuvor genannten Methoden zur Rotortemperaturbestimmung werden also auf eine besondere Art und Weise miteinander kombiniert, wobei in Abhängigkeit vom Betriebsbereich entweder die erste oder die zweite Rotortemperatur als die zu ermittelnde Rotortemperatur bestimmt wird. Hierdurch kann durch eine geschickte Vorgabe der Betriebsbereiche gewährleistet werden, dass die Verfahren in den jeweils für sie optimalen Betriebsbereichen arbeiten und dadurch entsprechend gute Ergebnisse liefern. Wird die eine Temperatur nicht durch die andere Temperatur ersetzt, so wird sie vorzugsweise durch die andere Rotortemperatur zumindest plausibilisiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Rotortemperatur in einem Teillastbetriebsbereich durch die zweite Rotortemperatur ersetzt wird. Besonders wenn die Phasenspannung sehr niedrig ist oder im Bereich von niedrigen Drehzahlen, zum Beispiel im Teillastbereich, ist die Temperaturschätzung auf Basis der Blindleistungen nicht mehr optimal durchführbar. In diesem Betriebsbereich ist die Rotortemperatur in Abhängigkeit von Verlusten besser zu ermitteln. Dadurch, dass die erste Rotortemperatur in diesem Betriebsbereich dann durch die zweite Rotortemperatur ersetzt wird, wird gewährleistet, dass auch weiterhin nur eine Rotortemperatur als zu beobachtende Größe ausgegeben wird, die aussagekräftig ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Bestimmung der ersten Rotortemperatur systembedingte Fehler ermittelt und in einem Kennfeld in Abhängigkeit von Blindleistungen gespeichert werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass systembedingte Fehler in der mit Telemetrie ausgebauten elektrischen Maschine ermittelt und als Kennfeld entsprechend gespeichert werden. Elektrische Maschinen, die der mit Telemetrie versehenen elektrischen Maschine entsprechen, kann das Kennfeld ebenfalls zugrunde gelegt werden. In Abhängigkeit von dann erfassten oder ermittelten Blindleistungen lässt sich auf die erste Rotortemperatur durch Benutzung des Kennfeldes schließen.
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Vorteilhafterweise ist weiterhin vorgesehen, dass die zweite Rotortemperatur durch die erste Rotortemperatur plausibilisiert wird, wenn die elektrische Maschine in einem Betriebsbereich betrieben wird, in welchem die erste Rotortemperatur durch das oben beschriebene Verfahren ausreichend genau ermittelbar ist. Hierdurch können beispielsweise Fehler im System entdeckt und die Robustheit der Temperaturerfassung erhöht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Stillstand der elektrischen Maschine die erste Rotortemperatur durch die zweite Rotortemperatur ersetzt wird, wobei die elektrische Maschine mit einem Wechselstrom angeregt wird, um einen elektrischen Widerstand der elektrischen Maschine zu bestimmen, und wobei die zweite Rotortemperatur in Abhängigkeit von dem elektrischen Widerstand als maßgeblicher Verlust für die Rotortemperatur bestimmt wird. Es wird somit ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur eingeführt, bei welchem die zweite Rotortemperatur als die maßgebliche erachtet wird, und wobei die elektrische Maschine in der Art eines Transformators betrieben wird, um Verluste zu erzeugen. Im Stillstand sind die Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur in Abhängigkeit von der Blindleistung oder von Verlusten nicht sinnvoll durchführbar. Durch den Betrieb in der Art eines Transformators, also durch eine elektrische Anregung wird erreicht, dass Verluste entstehen, ohne dass jedoch ein Drehmoment erzeugt wird. Dadurch kann die Rotortemperatur auch im Stillstand sicher und ausreichend genau bestimmt werden.
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Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass systembedingte Fehler vor Inbetriebnahme der elektrischen Maschine gemessen beziehungsweise durch Messungen erfasst werden. Wie zuvor bereits erwähnt, werden die erfassten Werte dann insbesondere in einem Kennfeld hinterlegt, auf das im Betrieb der elektrischen Maschine zurückgegriffen werden kann.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass in Abhängigkeit von den Verlusten eine Temperaturänderung ermittelt und als Grenzwert für die Bestimmung der ersten Rotortemperatur verwendet wird. Hierbei ist also vorgesehen, dass durch das verlustbasierte Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur eine Grenze für die Durchführung des Verfahrens zum Bestimmen der Rotortemperatur in Abhängigkeit von den Blindleistungen gesetzt wird. Die beiden verschiedenen Verfahrenswege beeinflussen sich somit gegenseitig und es entsteht ein intelligentes System, das das sichere Erfassen der relevanten Rotortemperatur gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch ein speziell hergerichtetes Steuergerät aus, das dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn es auf einem Computer abläuft.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen des Anspruchs 10 mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 ein Verfahren zum Bestimmen der Rotortemperatur einer elektrischen Maschine in unterschiedlichen Betriebsbereichen,
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2 das Ermitteln einer ersten Rotortemperatur in Abhängigkeit von Blindleistungen,
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3 eine Anpassung der Ermittlung der ersten Rotortemperatur,
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4 ein Verfahren zum Ermitteln einer zweiten Rotortemperatur in Abhängigkeit von Verlusten und
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5 ein Verfahren zur Bestimmung der zweiten Rotortemperatur im Stillstand.
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1 zeigt ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Asynchronmaschine, mit welchem eine Rotortemperatur der Asynchronmaschine bestimmt werden soll. Das Verfahren sieht drei Verfahrensteile
I,
II und
III vor, von denen zumindest die Verfahrensteile
I und
II gleichzeitig durchgeführt werden. Die drei Verfahrensteile
I,
II und
III werden durch eine Steuereinheit S gesteuert und ausgewertet, um eine Rotortemperatur
zu bestimmen.
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Bei dem ersten Verfahrensteil I handelt es sich um ein elektromagnetisches Modell zur Bestimmung einer ersten Rotortemperatur ϑ ^r,Fl Dieses Verfahren beruht auf einem Abgleich zwischen der berechneten Blindleistung aus Phasenspannung und Strom und einer berechneten Blindleistung aus einem Flussmodell, mit Motorparameter, Statorfrequenz und Strom als Eingangsgrößen. Da die Phasenspannung häufig nicht direkt messbar ist, wird vorzugsweise der Spannungs-Sollwert von einem Stromregler der elektrischen Maschine als Spannungs-Ist-Wert verwendet. Der Unterschied zwischen Spannungs-Soll- und Spannungs-Ist-Wert ist als Spannungsfehler zu verstehen. Außer dem Spannungsfehler sind auch systembedingte Fehler wie Motorparameterfehler oder Stromsensorfehler zu berücksichtigen. Der sich dadurch insgesamt ergebende Fehler ist wiederum von Betriebspunkten beziehungsweise Betriebsbereichen der Asynchronmaschine abhängig und führt zu entsprechenden Fehlwerten bei der Bestimmung der Rotortemperatur. Insbesondere wenn die Phasenspannung, zum Beispiel im Teillastbereich der elektrischen Maschine oder im Bereich, in welchem die Drehzahl sehr niedrig ist, kann die Bestimmung der Rotortemperatur nur durch das Verfahren I ungenau sein.
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Der Verfahrensteil II betrifft ein thermisches Modell zur Bestimmung einer zweiten Rotortemperatur ϑ ^r,Th. Das thermische Modell benötigt Verluste beziehungsweise Verlustwerte als Eingangsgrößen. Die Genauigkeit der Verlustberechnung hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die daraus ermittelte Rotortemperatur. Eine genaue analytische Berechnung oder experimentale Ermittlung von Verlusten der Asynchronmaschine ist sehr aufwändig. Im Betrieb wird ein Fehler in der Ermittlung der Rotortemperatur kumuliert und immer größer.
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Dass Verfahren in 1 schlägt nun eine geschickte Kombination der beiden Teilverfahren I und II vor, das dazu führt, das die Rotortemperatur ϑ ^r,Fu sehr genau bestimmbar ist.
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Systembedingte Fehler in dem Verfahrensteil I werden zunächst mit einer in einer mit Telemetrie aufgebauten Prototypmaschine der elektrischen Maschine ermittelt und als Kennfeld gespeichert. Für weitere Serienmaschinen der elektrischen Maschine mit einer gleichen elektromagnetischen Auslegung oder Telemetrie kann die erste Rotortemperatur ϑ ^r,Fl durch eine Adaption (Adapt.) und durch den Abgleich der Blindleistungen ermittelt werden.
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Das thermische Modell (Verfahrensteil II) läuft parallel zu dem Verfahrensteil I und liefert gleichzeitig eine geschätzte Temperaturänderung als Begrenzung für die Adaption (Adapt.) in Verfahrensteil I (Limit). In dem Betriebsbereich, in welchem der Schätzwert nach Verfahrensteil I zuverlässig ist, wird die ermittelte erste Rotortemperatur mit dem im zweiten Verfahrensteil II erfassten Rotortemperatur plausibilisiert (SetPlausy), so dass ein kumulativer Fehler minimiert bleibt.
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Der dritte Verfahrensteil III ist für einen Betriebszustand der elektrischen Maschine vorgesehen, in welchem der Rotor der elektrischen Maschine stillsteht und keine Last anliegt. In diesem Betriebszustand sind die Verfahrensteile I und II nicht funktionsfähig, da die benötigten Eingangsgrößen fehlen. Im Verfahrensteil III ist daher vorgesehen, dass die elektrische Maschine in der Art eines Transformators mit einem angeregten Strom beaufschlagt wird, der Verluste in der elektrischen Maschine erzeugt. Die dadurch geschätzte Rotortemperatur ϑ ^r(Stimult) wird dann als Anfangswert für das thermische Modell von Verfahrensschritt II verwendet (SetInit).
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Die Steuereinheit S entscheidet, welche Rotortemperatur aus welchem Schätzverfahren in dem jeweiligen aktuellen Betriebspunkt oder Betriebsbereich ausreichend genau beziehungsweise geeignet ist und führt dabei auch die zuvor genannte Plausibilisierung der Rotortemperaturen durch. Durch die Informationsfusion in der Steuereinheit S von den verschiedenen Verfahrensteilen
I,
II und
III und durch ihre Koordination sowie Plausibilisierung kann eine zuverlässige Rotortemperaturschätzung der Asynchronmaschine, insbesondere für Elektrofahrzeuge realisiert werden. Der erste Verfahrensteil
I beziehungsweise das auf Blindleistungen beruhende Flussmodell kann wie folgt erläutert werden. Für u
s > u
s.min werden folgende Spannungsgleichungen und Berechnungen der Blindleistung vorgegeben:
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Die linke Seite von Gleichung 3 betrifft die Spannung und Stromgröße. Die rechte Seite von Gleichung 3 betrifft den Strom, Fluss, sowie Motorparameter. Es wird angenommen, dass der Rotorwiderstand der einzige Parameter ist, der von der Rotortemperatur abhängig ist. Falls die Information über die Rotortemperatur falsch ist, beispielsweise durch falsche Flusskoordinaten, passen dann die dq-Komponenten in Gleichung 4 und in der Realität nicht mehr zusammen. Die Gleichung 4 ist dann nicht gleich Null. In diesem Fall muss der geschätzte Rotorwiderstand beziehungsweise die erste Rotortemperatur adaptiert werden, bis die Gleichung 4 wieder stimmt. Hierzu werden insbesondere die zuvor bestimmten systembedingten Fehler, insbesondere in der Spannung, dem Strom sowie der Motorparameter, berücksichtigt und als Kennfeld dQ
sys_err ≠ 0 gespeichert werden. Für weitere Serienmaschinen mit der gleichen elektromagnetischen Auslegung ohne Telemetrie wird die erste Rotortemperatur ϑ ^
r,Fl durch die Adaption (Adapt.) von
ermittelt. Die plausible Temperaturänderung wird von einem thermischen Modell des zweiten Teilverfahrens
II geliefert und als der Grenzwert für die Adaption (Adapt.) eingesetzt. Das Funktionsprinzip ist in den
2 und
3 gezeigt.
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Es gelten folgende Formelzeichen und Abkürzungen:
- ψ = Flussverkettung
- ψrd = Flussverkettung auf der d-Achse (Rotorfluss-Koordinate)
- Lm = Hauptinduktivität
- Lσs = Stator-Streuinduktivität
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- Lσx = Streuinduktivität, x=s: Stator, x=r: Rotor
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- θmr, θmr = Rotorflusswinkel, geschätzter Rotorflusswinkel
- ϑx, ϑ ^x, Δϑx= Temperatur, geschätzte Temperatur, Temperaturhub x=r: Rotor, x=s: Stator
- = gemessene Statortemperatur (NTC-Sensor)
- dQnorm = Normierte Blindleistungsdifferenz
- dQsys_err = Systembedingte Fehler in der Berechnung von Blindleistungsdifferenz
- kP, kI = P-Anteil und I-Anteil-Verstärkung eines PI-Reglers (Adaptionsgesetz)
- U ^ = Spannungsamplitude (Ausgang-Stromregler)
- i ^ = Stromamplitude (Stromsensor)
- φ = Phasenwinkel zwischen Spannung- und Stromzeiger
- Rx, R ^x = Widerstand, geschätzter Widerstand, x=r: Rotor, x=s: Stator
- = Verlustleistung, x=r: Rotor, x=s: Stator
- ZTh, Zij = Thermische Impedanz
- n = Drehzahl
- us = Spannung-Stator
- is = Is = Strom-Stator
- d = d-Achse
- q = q-Achse
- Isq-R = Strom Stator q-Achse Real
- Isq-M = Strom Stator q-Achse Model
- Isd-R = Strom Stator d-Achse Real
- Isd-M = Strom Stator d-Achse Model
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Die Rotortemperatur ϑ ^
r,Th ist dann durch den folgenden Zusammenhang beschrieben:
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Wobei Rr,20°C der Rotorwiderstand bei 20°C und αr,20°C der Widerstands-Temperatur-Koeffizient von Rotorleitern ist.
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Das verlustbasierte thermische Modell gemäß Verfahrensteil
II gilt vorliegend für: 0 < u
s < u
s,min:
In einem Betrieb, in welchem weniger Spannung angefordert wird, zum Beispiel bei niedrigen Drehzahlen in einem Teillastbetriebsbereich, ist der Spannungsfehler relativ groß, da für das Bestimmungsverfahren des ersten Verfahrensteil
I nur Spannungs-Soll-Werte verwendet werden. Für den zweiten Verfahrensteil
II kommt also das thermische Modell zum Einsatz, wie es in
4 vereinfacht dargestellt ist. Verluste der elektrischen Maschine können vorab entweder durch analytische Rechnung oder mithilfe von Messungen ermittelt und dann als Kennfeld in Abhängigkeit von Betriebspunkten oder Betriebsbereichen abgespeichert werden. Die Übertagungsfunktionen Z
11, Z
22, Z
12 und Z
21 werden bevorzugt als PT1-Glied modelliert, beziehungsweise als Glied höherer Ordnung für bessere Genauigkeit. Die Parameter von den Übertragungsfunktionen können anhand der Verluste der gemessenen oder simulierten Temperaturverläufe identifiziert werden. Vorteilhaft ist es auch, wenn eine Kühlungstemperatur ϑ
c berücksichtigt wird. Fall die Kühlungstemperatur nicht vorhanden ist, kann sie durch die Integration von der Differenz zwischen der letzten Rotortemperatur ϑ ^
s und gemessener Statortemperatur ϑ ^
s,NTC berechnet werden:
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Die ermittelten Stator- und Rotortemperaturen sind dann: ϑ ^s = ΔϑS + ϑ ^c (Gl. 8) ϑ ^r = Δϑr + ϑ ^c (Gl. 9)
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In dem Betriebsbereich, in welchem der erste Verfahrensteil I zuverlässige Ergebnisse liefert, wird die erste Rotortemperatur als relevante Rotortemperatur genutzt, um die Schätzung in dem thermischen Modell des zweiten Verfahrensteils II zu korrigieren, damit der kummulative Fehler minimiert wird, wie auch in 1 gezeigt. Das Funktionsprinzip ist dabei in 4 gezeigt.
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Der dritte Verfahrensteil
III berücksichtigt den Betriebszustand, in welchem sich die elektrische Maschine im Stillstand befindet. In diesem Fall funktionieren die Verfahren gemäß
I und
II nicht. Um die Rotortemperatur trotzdem ermitteln zu können, wird die Asynchronmaschine wie ein Transformator betrieben. Hierzu wird ein sinusförmiger Strom in der d-Achse der elektrischen Maschine angeregt. Bei höherer Frequenz kann ein Zusammenhang zwischen der elektrischen Größe und Widerständen der elektrischen Maschine hergestellt werden:
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Die Rotortemperatur ϑ ^r,St ist letztendlich durch den Verfahrensteil II gemäß Gleichung 6 zu bestimmen.
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5 zeigt hierzu eine vereinfachte Darstellung des dritten Verfahrensteils III.
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Dabei gelten außerdem folgende Abkürzungen:
- I ^:
- Stromamplitude (Stromsensor)
- U ^:
- Spannungsamplitude (Ausgangs-Stromregler)
- φ:
- Phasenwinkel zwischen Spannung- und Stromzeiger
- Rs:
- Statorwiderstand, Temperaturabhängigkeit kann durch gemessene Statortemperatur (NTC-Sensor in der Wicklung) kompensiert werden oder online in Inverter mit folgender Gl. Ermittelt werden:
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Die Steuereinheit wählt nun in Abhängigkeit von dem aktuellen Betriebsbereich der elektrischen Maschine den richtigen Verfahrensteil I, II oder III zum Bestimmen der Rotortemperatur ϑ ^r,Fu für die Plausibilisierungen durch und führt die Ergebnisse zusammen, um ein einziges plausibilisiertes Signal für die Rotortemperatur zu bestimmen, wie in 1 gezeigt.
