-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektrische Maschine mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Rotortemperatur einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Asynchronmaschine.
-
Die Änderung von Maschinenparametern beeinflusst die Drehmomentgenauigkeit der Maschine an sich. Dabei hat der Maschinenparameter Rotorwiderstand den stärksten Einfluss aller Maschinenparameter auf das Drehmoment der Maschine. Somit beeinflusst der Rotorwiderstand die Drehmomentgenauigkeit ganz erheblich.
-
Der Rotorwiderstand weist dabei eine starke Temperaturabhängigkeit auf, wobei sich die Rotortemperatur während des Betriebs der Maschine, abhängig vom Betriebspunkt der Maschine, stark verändern kann, wodurch die Kenntnis der Rotortemperatur bzw. des Rotorwiderstands notwendig wird und ist, um einen sicheren und Drehmoment-stabilen Betrieb der Asynchronmaschine gewährleisten zu können.
-
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die mehrere Temperatursensoren in verschiedenen Bauteilen der Maschine verwenden, um die Rotortemperatur abschätzen zu können. Eine Berechnung wird mittels eines RC-Modells durchgeführt.
-
Zur Berechnung der Rotortemperatur mittels eines RC-Modells wird dabei gedanklich die Maschine in Teilkörper zerlegt, wobei innerhalb der Teilkörper zunächst eine konstante Temperatur angenommen wird. Jeder dieser Teilkörper kann Energie speichern und kann über Wärmeübergangswiderstände mit anderen Teilkörpern Energie austauschen. Es ist daher notwendig, die Wärmeübergangswiderstände und Wärmekapazitäten zu berücksichtigen. Bei Erwärmung eines Teilkörpers kann über thermische Ersatzschaltbilder abgeschätzt werden, wie sich die anderen Teilkörper in Bezug auf deren Temperatur bzw. gemessene Temperatur verändern.
-
Problematisch bei dieser Art von modellbasierter Berechnung der Temperatur sind die jeweiligen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen dem jeweiligen Teilkörper und seiner Umgebung, da diese nur sehr schwer bestimmt werden können, da auch die Fertigungsstreuung und die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Bauteile dazu berücksichtigt werden müssen. Auch ist es notwendig, an dem jeweiligen realen Teilkörper der Maschine zumindest einen Temperatursensor zu montieren, um eine Erwärmung des jeweiligen Teilkörpers feststellen zu können, wodurch eine genaue bzw. exakte Messung der Temperatur nicht möglich ist aufgrund einer Messung durch die Temperatursensoren, da es sich bei den Sensoren im Allgemeinen um Anlegesensoren handelt. Genauer gesagt besteht eine elektrische Maschine aus einem Rotor und einem Stator, wobei die Statortemperatur durch diese Sensoren leicht gemessen werden kann, die Rotortemperatur hingegen nicht, da sich der Rotor dreht. Darüber hinaus ist es für eine genauere Berechnung nötig, die Maschine in viele kleine Teilkörper zu zerlegen, wodurch diese Berechnungsvariante sehr langsam und aufwändig wird und das Modell zur Berechnung abhängig von der jeweils vorliegenden Maschine, also deren Art und Geometrie, aufgebaut werden muss.
-
EP 2 894 746 A1 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur einer elektrischen Maschine mit einem Rotor mit den Schritten der Bestimmung einer Ist-Spannung der elektrischen Maschine, der Berechnung einer Spannungsdifferenz zwischen der Induzierten Spannung und der Klemmen-Spannung mittels der Datenverarbeitungseinrichtung und dem Berechnen eines realen Rotorwiderstands und einer realen Rotortemperatur mit Hilfe der Spannungsdifferenz.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, das auf Temperatursensoren zur Bestimmung der Rotortemperatur verzichten kann und keine Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten benötigt.
-
Diese Aufgabe wird einerseits gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur und/oder des Rotorwiderstands einer elektrischen Maschine mit einem Rotor, insbesondere einer Asynchronmaschine, umfassend die Verfahrensschritte Bestimmung einer Soll-Spannung der elektrischen Maschine mit Hilfe eines Maschinenmodells mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung, Bestimmung einer Ist-Spannung der elektrischen Maschine, Berechnung einer Spannungsdifferenz zwischen der Soll-Spannung und der Ist-Spannung mittels der Datenverarbeitungseinrichtung, Berechnung eines realen Rotorwiderstands und/oder der realen Rotortemperatur mit Hilfe der Spannungsdifferenz und mittels der Datenverarbeitungseinrichtung.
-
Es ist hierbei unerheblich, in welcher Reihenfolge die Soll-Spannung und die Ist-Spannung bestimmt werden.
-
Hierbei kann also von der Spannungsdifferenz direkt auf den Rotorwiderstand bzw. der Rotortemperatur geschlossen werden. Ist zuvor der Rotorwiderstand berechnet worden, so kann daraus die Rotortemperatur berechnet werden und umgekehrt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann anstelle für eine Asynchronmaschine auch für eine Synchronmaschine und andere Maschinenarten angewendet werden.
-
Die Ist-Spannung der elektrischen Maschine kann hierbei mittels einer Messeinrichtung zur direkten Messung der Spannung an der elektrischen Maschine bestimmt werden. Denkbar ist hierbei jedoch auch, dass die Ist-Spannung mit Hilfe eines oder mehrerer Tastgrade, in der Fachliteratur auch als „duty cycle“ bekannt, der Regelung der elektrischen Maschine und einer Zwischenkreisspannung mittels der Messeinrichtung bestimmt wird. Diese Methode hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Messeinrichtung zur tatsächlichen Messung der Spannung notwendig ist, da Stellgrößen eines oder mehrerer Umrichter verwendet werden. Bei einem Umrichter handelt es sich vorzugsweise um einen Pulswechselrichter.
-
Bei der Messeinrichtung handelt es sich also vorzugsweise um eine Einrichtung zur Messung einer Ist-Spannung und/oder zur Bestimmung der Ist-Spannung mit Hilfe von duty cycles, vorzugsweise in Kombination mit der Zwischenkreisspannung.
-
Unter einem Maschinenmodell ist hierbei eine theoretische Betrachtung der elektrischen Maschine zu verstehen. Die dazu benötigten Daten, die Maschinenparameter, und gegebenenfalls die physikalischen Messgrößen werden für die jeweilige elektrische Maschine von Maschinenherstellern bereitgestellt, durch Zusatzprogramme ermittelt oder vermessen und in dem theoretischen Maschinenmodell, kurz Maschinenmodell, als Parameter eingegeben bzw. hinterlegt und daraus ein theoretischer Spannungsbedarf, die Soll-Spannung, der Maschine berechnet. Diese Soll-Spannung gibt an, welche Spannung für die elektrische Maschine nötig bzw. notwendig ist, um sie vorteilhaft mit einem vorzugsweise gewünschten also einstellbaren Drehmoment, zu betreiben.
-
Die tatsächlich an der elektrischen Maschine anliegende Spannung, die Ist-Spannung, wird gemäß einer Ausführungsform dabei direkt an der Maschine mittels einer Messeinrichtung abgegriffen. Beispielsweise ist es denkbar, die Ist-Spannung anhand der Phasenspannungen am Motor zu bestimmen.
-
Sind die beiden Spannungswerte der elektrischen Maschine, die Soll-Spannung und die Ist-Spannung, ermittelt worden, so wird mittels der Datenverarbeitungseinrichtung eine Spannungsdifferenz zwischen der Soll-Spannung und der Ist-Spannung errechnet. Diese Differenz aus der tatsächlich anliegenden und der Modellspannung ergibt einen Spannungsfehler, mittels welchem Rückschlüsse auf den Rotorwiderstand und/oder die Rotortemperatur gewonnen werden können.
-
Aus dieser Spannungsdifferenz bzw. dem Spannungsfehler kann ein Fehler des Rotorwiderstandes/der Rotortemperatur errechnet werden. Da hierbei der Rotorwiderstand des Maschinenmodells bekannt ist, kann mittels des bekannten Rotorwiderstandes des Maschinenmodells und dem ermittelten Fehler des Rotorwiderstands der reale Rotorwiderstand bestimmt werden. Analog gilt diese Vorgehensweise auch für die Rotortemperatur.
-
Da nun bereits der reale Rotorwiderstand der elektrischen Maschine bekannt ist, kann dadurch auf die reale Rotortemperatur rückgeschlossen werden, da der Rotorwiderstand an sich von der Temperatur abhängt. Natürlich hängt der Rotorwiderstand auch von anderen Parametern wie dem verwendeten Material des Rotors ab.
-
Die Rotortemperatur und/oder der Rotorwiderstand wird also folglich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich durch maschinenspezifische Eigenschaften, die bekannt sind, ermittelt und bestimmt, wodurch ein besonders einfaches und rechenleistungssparendes Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur und/oder des Rotorwiderstands bereitgestellt wird und gleichzeitig auf einen Einsatz und Verwendung von Temperatursensoren verzichtet werden kann.
-
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann also der Rotorwiderstand bzw. die Rotortemperatur der elektrischen Maschine besonders leicht bestimmt und somit auch leicht beobachtet werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die elektrische Maschine besonders gut überwacht bzw. kontrolliert werden, wenn der Wert des realen Rotorwiderstands und/oder der Wert der realen Rotortemperatur mittels einer Anzeigeeinheit ausgegeben wird. Somit kann ein Arbeiter leicht auf der Anzeigeeinheit verfolgen, welchen Wert die Temperatur des Rotors der elektrischen Maschine im Moment aufweist.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Rotortemperatur und/oder der Rotorwiderstand über einen längeren Zeitraum hinweg verfolgt werden, wenn die Verfahrensschritte nach einem vorgebbaren Zeitintervall wieder durchlaufen werden. Vorteilhaft können die Verfahrensschritte solange wieder und wieder durchlaufen werden, solange die Maschine in Betrieb ist und eine Ermittlung der Rotortemperatur vorteilhaft oder sogar notwendig ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Zeitintervall in einem Bereich von 100 µs - 100 ms, bevorzugt zwischen 1 ms und 20 ms und besonders bevorzugt bei 10 ms. Natürlich sind auch andere Zeitintervalle denkbar, wobei jedoch zur besseren Kontrolle der elektrischen Maschine eine kontinuierliche und ständige Neubestimmung der Rotortemperatur von Vorteil ist. Das Zeitintervall wird jedoch nach Anwendungsfall und Rechnerleistung ausgewählt, so dass auch andere Werte für das Zeitintervall, die nicht in den obig genannten liegen, denkbar sind. Das Zeitintervall kann demnach unabhängig von der gewählten Ausführungsform angegeben werden.
-
Das bisher vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren dient also bisher hauptsächlich zur Beobachtung der elektrischen Maschine, also einem passiven Beobachtungsverfahren, das nicht in eine Regelung, beispielsweise der Regelung der Temperatur oder des Rotorwiderstands eingreift.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform jedoch auch zu einem aktiven Beobachtungsverfahren, d.h. das aktive Verfahren greift in die Regelung ein, umfunktioniert werden, wenn der berechnete Wert des Rotorwiderstands und/oder der Rotortemperatur, vorzugsweise mittels der Datenverarbeitungseinrichtung, in das Maschinenmodell rückgeführt wird. Durch Rückführung des errechneten Rotorwiderstands bzw. der errechneten Rotortemperatur in das Maschinenmodell wird dadurch das Maschinenmodell an die reale elektrische Maschine angeglichen, was dazu führt, dass die Soll-Spannung an die Ist-Spannung der elektrischen Maschine angeglichen wird. Insbesondere kann diese Rückführung in der Motorenregelung verwendet werden, vorzugsweise bei einer Feld-orientierten Regelung.
-
Durch diesen zusätzlichen Adaptionsschritt mit einer Rückführung des Rotorwiderstands kann also durch eine kontinuierliche Anpassung des Rotorwiderstands der Spannungsbedarf des Maschinenmodells auf den Wert der Ist-Spannung adaptiert werden. Durch Anpassung des Rotorwiderstands wird demzufolge die Spannungsdifferenz bzw. der Spannungsfehler von der realen Maschine zum Maschinenmodell immer weiter verringert, so dass der Rotorwiderstand somit den realen Rotorwiderstand repräsentiert.
-
Durch dieses aktive Adaptionsverfahren ist es auch möglich, den Rotorwiderstand und/oder die Rotortemperatur zu beeinflussen und gleichzeitig eine Beobachtung des Rotorwiderstands und/oder der Rotortemperatur durchzuführen.
-
Da der Wert des Rotorwiderstands hauptsächlich dazu verwendet wird, das Drehmoment der elektrischen Maschine zu bestimmen und stellen zu können, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorteilhaft, wenn der ermittelte Wert des Rotorwiderstands und/oder der ermittelte Wert der Rotortemperatur einem Drehmomentmodell zugeführt werden, um ein Drehmoment der elektrischen Maschine zu bestimmen und vorteilhaft auch zu überwachen.
-
Der Rotorwiderstand/die Rotortemperatur bzw. der Wert des Rotorwiderstands/der Rotortemperatur ist maßgeblich für die Genauigkeit der Drehmomentbestimmung.
-
Zusätzlich zur Anwendung des passiven Beobachtungsverfahrens ist in der Regelung der Maschine in vielen Anwendungsfällen eine möglichst hohe Drehmomentgenauigkeit gefordert und sogar notwendig. Um diese Drehmomentgenauigkeit einhalten zu können, ist es notwendig, ist die Kenntnis des Rotorwiderstands bzw. der Rotortemperatur notwendig, da sich beispielsweise bei einer Maschine im Dauerbetrieb sich der Rotor stark erwärmen kann und somit das Verhalten der Maschine verändert. Das Drehmoment kann hierbei steigen oder sinken. Wird das Drehmoment hierbei nicht ermittelt, kann ein sicherheitskritischer Zustand der Maschine auftreten. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn weiter zur Bestimmung des Rotorwiderstands/der Rotortemperatur auch das Drehmoment bestimmt wird, sowohl bei dem obig beschriebenen passiven als auch dem aktiven Beobachtungsverfahren.
-
Dies ist insbesondere daher von Vorteil, da der Rotorwiderstand den größten Einfluss der Maschinenparameter auf das anliegende Drehmoment der elektrischen Maschine hat. Ist also der Rotorwiderstand und/oder die Rotortemperatur bestimmt worden, so kann mittels des realen Rotorwiderstands und/oder der realen Rotortemperatur das reale Drehmoment der elektrischen Maschine bestimmt werden. Dies ist insbesondere daher von Vorteil, da das anliegende Drehmoment für den Betrieb der elektrischen Maschine grundlegend ist und daher auch möglichst bestimmt werden sollte, um entsprechend dem Einsatzgebiet der elektrischen Maschine optimal funktionieren zu können.
-
Das Drehmoment der elektrischen Maschine kann also ohne Einsatz von Temperatursensoren durch den ermittelten Rotorwiderstand bzw. der ermittelten Rotortemperatur bestimmt werden, wodurch eine möglichst genaue Bestimmung des Drehmoments durchgeführt werden kann.
-
Besonders vorteilhaft kann das reale Drehmoment überwacht werden, wenn der Rotorwiderstand und/oder die Rotortemperatur nach einem vorgebbaren Zeitintervall neu bestimmt wird und der jeweilige neu bestimmte Wert des Rotorwiderstands dem Drehmomentmodell neu zugeführt wird und somit das Drehmoment ebenso neu bestimmt wird. Weiter vorteilhaft kann auch der ermittelte Wert des Drehmoments mittels der Anzeigeeinheit ausgegeben werden, was die Beobachtung noch weiter erleichtert.
-
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann bei einem Überschreiten eines vorgebbaren kritischen Drehmomentwertes der elektrischen Maschine die elektrische Maschine abgeschaltet werden, so dass es zu keiner Beschädigung der elektrischen Maschine und/oder mit der elektrischen Maschine verbundenen anderen Komponenten kommen kann. Alternativ kann vorzugsweise mittels des aktiven Beobachtungssystems die elektrische Maschine in einen nicht mehr sicherheitskritischen Zustand gebracht werden durch eine Regelung des Drehmoments, beispielsweise durch eine Deaktivierung der Regelung, einer Drehmomentanforderung, die Null entspricht oder durch eine Notabschaltung der Schaltelemente, beispielsweise über das zuvor beschriebene passive System, oder auch eine durch Regelung der Rotortemperatur bzw. des Rotorwiderstands durch veränderte Kühlleistung durch veränderten Kühlmittelfluss oder dergleichen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass ein Warnsignal, beispielsweise akustisch oder optisch, ausgegeben wird, dass auf ein kritisches Drehmoment der elektrischen Maschine hindeutet und eine Person somit warnt. Das kritische Drehmoment kann dabei je nach Art und dem Einsatzbereich der elektrischen Maschine eingestellt werden.
-
Darüber hinaus kann auch eine Warnung erfolgen, wenn die elektrische Maschine, insbesondere der Rotor, eine kritische Temperatur erreichen.
-
Andererseits wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe von einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und mit einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Rotortemperatur und/oder eines Rotorwiderstands der elektrischen Maschine gelöst, wobei die Vorrichtung eine Messeinrichtung zur Bestimmung einer Ist-Spannung der elektrischen Maschine und eine Datenverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung einer Soll-Spannung, zur Berechnung einer Spannungsdifferenz zwischen der Soll-Spannung und der Ist-Spannung und zur Berechnung eines realen Rotorwiderstands und/oder einer realen Rotortemperatur umfasst.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Eingabeeinrichtung zur Eingabe und Übermittelung von Maschinenparametern für ein Maschinenmodell.
-
Mit Hilfe des Maschinenmodells, vorzugsweise ein theoretisches Maschinenmodell, und der entsprechend für die elektrische Maschine eingebbaren Maschinenparameter kann eine Soll-Spannung zum Betrieb der elektrischen Maschine mittels der Datenverarbeitungseinrichtung ermittelt werden, wobei gegebenenfalls es auch nötig ist, weitere Werte für physikalische Parameter ebenfalls einzugeben.
-
Mittels der Messeinrichtung kann die tatsächlich an der elektrischen Maschine anliegende Spannung, die Ist-Spannung, bestimmt werden.
-
Die erfindungsgemäße Datenverarbeitungseinrichtung errechnet aus der Soll-Spannung und der Ist-Spannung der elektrischen Maschine eine Spannungsdifferenz, mittels welcher dann auf den realen Rotorwiderstand rückgeschlossen werden kann, wobei aus dem realen Rotorwiderstand eine reale Rotortemperatur ermittelt werden kann. Alternativ oder kumulativ kann aus der Spannungsdifferenz auf die reale Rotortemperatur rückgeschlossen werden, wobei aus der realen Rotortemperatur der reale Rotorwiderstand ermittelt werden kann.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter eine Anzeigeeinheit, mittels welcher der ermittelte Wert der Rotortemperatur und/oder der ermittelte Wert des Rotorwiderstands anzeigbar ist, so dass diese Werte, insbesondere die Rotortemperatur, überwachbar sind.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung weiter eine Rückführungseinrichtung auf, mittels welcher der ermittelte Wert des Rotorwiderstands und/oder der Rotortemperatur in das Maschinenmodell rückführbar ist.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es denkbar, dass mittels einer Rückführungseinrichtung der reale Rotorwiderstand und/oder die reale Rotortemperatur in ein Maschinenmodell überführbar bzw. übermittelbar sind, so dass mit Hilfe eines Drehmomentmodells ein reales Drehmoment der Maschine bestimmt werden kann.
-
Handelt es sich bei der vorliegenden Ausführungsform um eine rein beobachtende Vorrichtung, also eine Vorrichtung mit dem passiven Beobachtungsverfahren, so ist das bestimmte Drehmoment ebenfalls beobachtbar und mittels einer Anzeigeeinheit anzeigbar.
-
Ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass ein aktives Beobachtungsverfahren zugrunde liegt, so kann mittels der Rückführung der Rotortemperatur und/oder des Rotorwiderstands in das Maschinenmodell ebenfalls das Drehmomentmodell an die reale Maschine angepasst werden, so dass eine aktive Regelung des realen Drehmoments möglich ist. Hierdurch kann dann eine hohe Drehmomentgenauigkeit gewährleistet werden. Alternativ oder kumulativ zu der Drehmomentregelung ist auch eine Drehzahlregelung denkbar.
-
Mit Hilfe einer Rückführung des Rotorwiderstands bzw. der Rotortemperatur in das Maschinenmodell kann in die Regelung der Maschine aktiv eingegriffen werden. Durch die Rückführung des entsprechenden Parameters in das Maschinenmodell wird der Parameter im Maschinenmodell durch den zuvor ermittelten Wert ersetzt, wodurch eine Angleichung des Maschinenmodells an die reale Maschine erfolgt. Hierdurch ist nun die Soll-Spannung des Maschinenmodells die zu regelnde Größe, d.h. die Soll-Spannung entspricht einer Regelspannung.
-
Durch weitere kontinuierliche Bestimmung des Rotorwiderstands und/oder der Rotortemperatur mit Hilfe der Spannungsdifferenz kann eine kontinuierliche Anpassung der realen Maschine, also insbesondere des Rotorwiderstands und/oder der Rotortemperatur und/oder des Drehmoments vorgenommen werden.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Weitere Ziele, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden von der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:
- 1 Flussdiagramm zur Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine schematische Übersicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung für eine elektrische Maschine,
- 3 Einfluss des aktiven Beobachtungsverfahrens auf die Regelung;
- 4A-4E verschiedene Simulationen zur Überprüfung des Gültigkeitsbereichs der Beobachtungsverfahren.
-
In der 1 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung der einzelnen Verfahrensschritte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Dabei entsprechen die Verfahrensschritte a.e. den Verfahrensschritten des Anspruches 1, die insbesondere einem reinen Beobachtungsverfahren, also einem passiven Beobachtungsverfahren entsprechen.
-
Das passive Verfahren beinhaltet die Verfahrensschritte Bestimmung einer Soll-Spannung der elektrischen Maschine mit Hilfe eines Maschinenmodells mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung, Bestimmung einer Ist-Spannung der elektrischen Maschine, vorzugsweise mittels einer Messeinrichtung, Berechnung einer Spannungsdifferenz zwischen der Soll-Spannung und der Ist-Spannung mittels der Datenverarbeitungseinrichtung, Berechnung eines realen Rotorwiderstands und/oder der realen Rotortemperatur mit Hilfe der Spannungsdifferenz und mittels der Datenverarbeitungseinrichtung. Dabei ist es unerheblich, ob zuerst die Soll-Spannung oder die Ist-Spannung zuerst ermittelt wird.
-
Dieses Verfahren kann dabei um weitere Verfahrensschritte ausgeweitet werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass vor Bestimmung der Soll-Spannung aufgrund von Maschinenparametern und gegebenenfalls mit physikalischen Werten mittels eines Maschinenmodells die Maschinenparameter überhaupt erst einmal in das Maschinenmodell eingegeben werden sollten. Somit kann das Maschinenmodell an sich leicht der aktuell vorliegenden elektrischen Maschine angepasst werden, ohne dabei ein neues und speziell auf diese elektrische Maschine abgestimmtes Maschinenmodell bereitzustellen.
-
Sind die benötigten Daten in das Maschinenmodell eingegeben worden, so kann die Soll-Spannung der elektrischen Maschine des Maschinenmodells bestimmt werden.
-
Ist diese Berechnung abgeschlossen, so wird eine an der realen Maschine anliegende Spannung, die Ist-Spannung gemessen, beispielsweise über die Phasenspannungen, die an der elektrischen Maschine anliegen. Alternativ oder kumulativ kann die Ist-Spannung mit Hilfe eines Tastgrads, auch bekannt als „duty cycle“, und einer Zwischenkreisspannung bestimmt werden. Bei der kumulativen Bestimmung kann der erhaltene Wert der Messung oder der Wert über duty cycles der Ist-Spannung durch die jeweils andere Bestimmungsvariante zusätzlich kontrolliert werden.
-
Aus den Daten Soll-Spannung und Ist-Spannung wird eine Spannungsdifferenz zwischen der Soll-Spannung und der Ist-Spannung berechnet. Mittels dieser Spannungsdifferenz ist es möglich, den Fehler des Rotorwiderstandes bzw. der Rotortemperatur zu bestimmen.
-
Mit Hilfe des bestimmten Fehlers des Rotorwiderstandes bzw. der Rotortemperatur und der Tatsache, dass der Rotorwiderstand des Maschinenmodells bekannt ist, kann auf den realen Rotorwiderstand bzw. die reale Rotortemperatur der elektrischen Maschine rückgeschlossen werden.
-
Weiter kann mit Hilfe des bekannten realen Rotorwiderstands auf die Rotortemperatur rückgeschlossen werden, da der Rotorwiderstand abhängig von der Temperatur des Rotors ist, oder umgekehrt.
-
Wurden der reale Rotorwiderstand und/oder die reale Rotortemperatur ermittelt, so können diese Werte durch eine Anzeigeeinheit ausgegeben werden, so dass ein Mensch oder auch eine Maschine diese Werte einsehen, verfolgen und/oder analysieren kann. Vorteilhaft können die Werte auch in einer Datei, Datenbank oder dergleichen abgespeichert werden, um diese nachträglich auswerten zu können. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Speicherung von Fehlspeichereinträgen, um nachträglich einen aufgetretenen Fehlerfall rekonstruieren zu können.
-
Ein besonders vorteilhafter Schritt ist die Übermittelung des realen Rotorwiderstands und/oder der realen Rotortemperatur an ein Drehmomentmodell. Mittels des Drehmomentmodells ist es möglich, aus den Maschinenparametern und gegebenenfalls aus physikalischen Werten das reale Drehmoment der elektrischen Maschine zu bestimmen. Weitere benötigte Daten sind beispielsweise der Strom und die Rotordrehzahl. Es ist daher zur Bestimmung des aktuellen Drehmoments notwendig, den aktuellen, realen Wert des Rotorwiderstands und/oder der Rotortemperatur dem Drehmomentmodell zuzuführen, so dass hiermit das aktuelle, reale Drehmoment bestimmt werden kann. Handelt es sich hierbei um das passive Beobachtungsverfahren, so ist eine Überprüfung und Verfolgung des realen Drehmoments möglich. Handelt es sich um das aktive Beobachtungsverfahren, so dass also die Werte der geschätzten Rotortemperatur und/oder des geschätzten Rotorwiderstands in das Maschinenmodell rückgeführt werden, so kann eine Regelung der Maschine erfolgen. Durch die Regelung der Maschine kann eine hohe Drehmomentgenauigkeit erreicht werden, da das reale Drehmoment genau eingestellt werden kann.
-
Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn der Wert des realen Rotorwiderstands und/oder der realen Rotortemperatur in das Maschinenmodell zurückgeführt wird, da hierdurch das Maschinenmodell an die reale Maschine adaptiert, also angepasst, werden kann, wodurch der Fehler der Soll-Spannung zur Ist-Spannung verringert wird, also die Spannungsdifferenz verringert wird. Der Rotorwiderstand repräsentiert also den realen Rotorwiderstand der elektrischen Maschine und/oder die Rotortemperatur die reale Rotortemperatur. Da das Maschinenmodell den realen Rotorwiderstand und/oder die reale Rotortemperatur repräsentiert, ist es möglich, durch Beeinflussung von veränderbaren Werten den Rotorwiderstand und/oder die Rotortemperatur aktiv zu verändern, so dass das Drehmoment auf einen gewünschten Wert gebracht werden kann. Mögliche veränderbare Werte sind beispielsweise die Stromstärke, die Rotordrehzahl oder auch eine angepasste Kühlung, beispielsweise ein erhöhter Kühlmitteldurchsatz, der elektrischen Maschine.
-
In der 2 ist eine mögliche Anordnung der Vorrichtung 20 zur Bestimmung der Rotortemperatur und/oder des Rotorwiderstands der elektrischen Maschine. Dabei umfasst die Vorrichtung 20 erfindungsgemäß eine Datenverarbeitungseinrichtung 1 und eine Messeinrichtung 2, wobei mittels der Messeinrichtung 2 die tatsächlich an der elektrischen Maschine anliegende Spannung, die Ist-Spannung, bestimmt werden kann. Mittels der Datenverarbeitungseinrichtung 1 ist es möglich, aus dem Maschinenmodell eine Soll-Spannung zu errechnen, die dem Spannungsbedarf der elektrischen Maschine entspricht. Weiter kann mittels der Datenverarbeitungseinrichtung 1 eine Spannungsdifferenz zwischen der Soll-Spannung und der Ist-Spannung errechnet werden, wobei diese Spannungsdifferenz auf den realen Rotorwiderstand und/oder die reale Rotortemperatur rückgeschlossen werden kann.
-
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung 20 eine Eingabeeinrichtung 6 zur Eingabe und Übermittelung von Maschinenparametern für ein Maschinenmodell 4, so dass das Maschinenmodell 4 leicht an die jeweilig vorliegende elektrische Maschine angepasst werden kann.
-
Weiter vorteilhaft umfasst die Vorrichtung 20, insbesondere die Datenverarbeitungseinrichtung 1, eine Speichereinheit 8, in der die bestimmte Ist-Spannung und die eingegebenen Maschinenparameter abspeicherbar sind, vorzugsweise in einem Block Spannungsmodell 17 der Speichereinrichtung 8. Weiter vorteilhaft ist in der Speichereinheit 8 das Maschinenmodell 4 ebenfalls abgespeichert und aufrufbar.
-
Besonders vorteilhaft umfasst die Vorrichtung 20, insbesondere die Datenverarbeitungseinrichtung 1, eine Berechnungseinheit 9, mittels welcher vorzugsweise die Soll-Spannung, die Spannungsdifferenz und der Rotorwiderstand und/oder die Rotortemperatur berechnet werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Berechnungseinheit 9 um einen Prozessor, der die Daten aus der Speichereinheit 8 abrufen kann und das Maschinenmodell 4 mit Hilfe der Parameter berechnen kann.
-
Der errechnete Wert des realen Rotorwiderstands und/oder der Wert der realen Rotortemperatur können von der Berechnungseinheit 9 an eine Anzeigeeinheit 3 übermittelt werden und somit einer Person angezeigt werden.
-
Vorteilhaft kann die Berechnungseinheit 9 auch die ermittelten Werte der Rotortemperatur/des Rotorwiderstands an ein Drehmomentmodell 5, das ebenso in der Speichereinheit 8 abgelegt sein kann, übermitteln und daraus das reale Drehmoment der elektrischen Maschine ermitteln. Zusätzlich können auch neben der Motorparameter beispielsweise auch die Werte der Drehzahl und der elektrischen Ströme übermittelt werden. Dieser Wert des realen Drehmoments kann ebenso an die Anzeigeeinheit übermittelt werden und dadurch angezeigt werden.
-
Besonders vorteilhaft kann die Berechnungseinheit 9 die Werte der realen Rotortemperatur/des Rotorwiderstands mittels einer Rückführungseinrichtung 7 die Werte in das Maschinenmodell zurückführen und den bisherigen dort abgelegten Wert der Rotortemperatur/des Rotorwiderstands ersetzen, wodurch das aktives Verfahren dargestellt wird.
-
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die ermittelten Werte der realen Rotortemperatur/des realen Rotorwiderstands und/oder besonders bevorzugt des realen Drehmoments von der Berechnungseinheit 9 an eine Überprüfungseinheit 10 übermittelt werden. Es ist auch denkbar, dass die Berechnungseinheit 9 diese Werte in der Speichereinheit 8 hinterlegt und die Überprüfungseinheit 10 auf diese Werte zurückgreift.
-
Mit Hilfe Überprüfungseinheit 10 ist es möglich, dass ein stationärer Fall erkannt wird, d.h. dass der Wert der Rotortemperatur bzw. des Rotorwiderstands bzw. des Drehmoments der elektrischen Maschine konstant über einen längeren Zeitraum ist. Dieser/diese Wert/Werte können dann als vertrauenswürdig übernommen werden, so dass eine weitere Beobachtung überflüssig wird. Vorteilhaft kann die Überprüfungseinheit auch einen eigenen, internen Speicher 11 umfassen, in dem die von der Berechnungseinheit 9 übermittelten Daten speicherbar sind.
-
In der 3 wird schematisch dargestellt, welchen Einfluss das aktive Beobachtungsverfahren 11 auf die Regelung hat. Es sei hierzu noch einmal angemerkt, dass durch das passive Beobachtungsverfahren lediglich der Wert der realen Rotortemperatur und/oder des realen Rotorwiderstands bestimmt wird. Das passive Beobachtungsverfahren hat keinen Einfluss auf die Regelung der elektrischen Maschine, im Gegensatz zum aktiven Beobachtungsverfahren 11.
-
Durch das aktive Beobachtungsverfahren 11 werden die Werte der Rotortemperatur und/oder des Rotorwiderstands in das Maschinenmodell rückgeführt, so dass die Werte des Maschinenmodells dafür durch die soeben bestimmten Werte ersetzt werden. Diese Werte des realen Rotorwiderstands sind Bestandteil der Maschinenparameter und haben daher direkt Einfluss auf die Regelung der Maschine, da diese Maschinenparameter dazu verwendet werden, die Maschine anzusteuern und zu regeln. Die Regelung umfasst vorliegend vorzugsweise eine Regelungssoftware bzw. einen Regelungsalgorithmus 16, wobei zur Regelung der Maschine die Regelungssoftware 16 die Maschinenparameter verwendet.
-
Die Motorparameter, insbesondere der Rotorwiderstand und die anderen Rotorparameter wie etwa Induktivitäten oder der Statorwiderstand, werden der Regelung 12 und insbesondere der Regelungssoftware 16 übermittelt.
-
Die entsprechenden Daten werden dann von der Regelung an die Leistungselektronik 14 übermittelt, mittels welcher dann die korrekten Phasenspannungen U, V, W an die elektrische Maschine angelegt werden können.
-
Durch die Regelung wird also die Hardware 13, vorzugsweise zumindest aufweisend eine Leistungselektronik 14 und einen Motor bzw. Maschine 15, direkt beeinflusst.
-
Die 4A-4D zeigen hierbei jeweils eine Simulation eines passiven Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. Dazu wurde jeweils ein konstantes Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich der jeweiligen Simulation simuliert. Die Rotortemperatur des Modells wurde in jedem der Fälle gegenüber der realen Rotortemperatur um einen gewissen Faktor verstimmt. Die Modellspannung 18 wird solange der Ist-Spannung 19 nachgeführt, bis die korrekte Temperatur erreicht wurde. In den nachfolgenden Simulationen werden jeweils die Soll-Spannung 18, also die Modellspannung 18, und die Ist-Spannung 19 aufgezeichnet.
-
Die 4A zeigt dabei eine Simulation einer Maschine mit einem Drehmoment von 35 Nm, wobei jedoch auch andere Werte für das Drehmoment denkbar sind. Die Maschine wird hierbei als ein Motor betrieben. Die Maschine wird von einer Drehzahl 0 auf eine bestimmte Drehzahl, beispielsweise 21000 Umdrehungen pro Minute, hochgefahren, wodurch sich natürlich der Spannungsbedarf, die Ist-Spannung 19, der Maschine verändert. Hat die Maschine die maximale Ist-Spannung erreicht, beispielsweise 25 V wie vorliegend, was der Zwischenkreisspannung entspricht, so kann die Spannung nicht mehr weiter erhöht werden.
-
Wie gut aus der 4A zu erkennen ist, wird die Modellspannung 18 der Ist-Spannung 19 nachgeführt, was bedeutet, dass die tatsächliche Ist-Spannung der Maschine genau detektiert wird. Abweichungen von der Ist-Spannung 19 zur Modellspannung 18, also der Soll-Spannung, ergeben sich durch Trägheitseffekte der Maschine und der Simulation, da der Rotorwiderstand und/oder die Rotortemperatur noch nicht vollständig adaptiert sind. Diese Trägheitseffekte sind besonders gut sichtbar, wenn die Ist-Spannung den maximal zulässigen Wert, vorliegend 25 V, erreicht hat.
-
Der 4B liegt die gleiche Vorgehensweise wie der 4A zugrunde, jedoch wird die Maschine nicht als ein Motor betrieben, sondern als ein Generator. Hiermit wurde getestet, ob das Beobachtungsverfahren, vorliegend das passive Beobachtungsverfahren, von der Betriebsart der Maschine abhängt. Wie aus der 4B und einem Vergleich mit der 4A zu erkennen ist, ist das Verfahren unabhängig von der Betriebsart der Maschine.
-
Um weiter den Einsatzbereich des Beobachtungsverfahrens zu bestimmen, wurde in der 4C anstelle eines relativ hohen Drehmoments von 35 Nm ein relativ geringes Drehmoment von 2 Nm eingestellt. Hiermit wurde überprüft, ob das Beobachtungsverfahren lastabhängig ist. Wie jedoch aus der 4C zu erkennen ist, adaptiert sich auch in diesem Fall die Modellspannung 18 auf die Ist-Spannung 19 über den ganzen Drehzahlbereich. Das Verfahren ist also nicht lastabhängig.
-
In der Simulation der 4D wird weiter überprüft, wie genau die Temperatur mit Hilfe des Beobachtungsverfahrens bestimmt werden kann.
-
Hierbei wurde ein Drehmoment von 20 Nm für die Maschine gewählt, wobei die Maschine als ein Generator fungiert. Die Drehzahl liegt in einem Bereich von 0 bis 10000 Umdrehungen pro Minute. Wurde die maximale Drehzahl erreicht, so beträgt die Drehzahl der Maschine konstant 10000 Umdrehungen pro Minute. Die Temperatur des Modells beträgt dabei 500°C, die reale Temperatur 50°C. Zwischen dem Modell und der realen Maschine liegt also ein Temperaturunterschied von 450°C vor.
-
Zusätzlich wurde zu der Modellspannung 18 und der Ist-Spannung 19 die Spannungsdifferenz 20 angezeigt. Wie zu erkennen ist, hat sich vorliegend bereits nach spätestens 0,5 s die Modellspannung 18 auf die Ist-Spannung 19 adaptiert, d.h. die Spannungsdifferenz 20 beträgt nahezu 0V. Das Temperaturoffset von 450°C wird also durch das Beobachtungsverfahren nahezu komplett kompensiert.
-
In der 4E wird der durch das Beobachtungsverfahren detektierte Temperaturunterschied von dem Modell zur realen Maschine aufgezeigt.
-
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Datenverarbeitungseinrichtung
- 2
- Messeinrichtung
- 3
- Anzeigeeinheit
- 4
- Maschinenmodell
- 5
- Drehmomentmodell
- 6
- Eingabeeinrichtung
- 7
- Rückführungseinrichtung
- 8
- Speichereinheit
- 9
- Berechnungseinheit
- 10
- Überprüfungseinheit
- 11
- aktives Beobachtungsverfahren
- 12
- Regelung
- 13
- Hardware
- 14
- Leistungselektronik
- 15
- Maschine
- 16
- Regelungssoftware
- 17
- Spannungsmodell
- 18
- Modellspannung
- 19
- Ist-Spannung
- 20
- Spannungsdifferenz
