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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines Ansteuerverfahrens eines Wechselrichters für eine Bestromung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, mit N Phasen.
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Stand der Technik
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Eine in der Praxis übliche Überwachung einer elektrischen Maschine basiert darauf, dass ein von der elektrischen Maschine zu erzeugendes Sollmoment mit einem von der elektrischen Maschine erzeugten Istmoment verglichen wird. Üblicherweise wird das Istmoment nicht direkt gemessen sondern aus Messgrößen berechnet. Zur Überwachung des korrekten Betriebs des Wechselrichters ist es erforderlich, dass diese Messgrößen nicht einer dem Wechselrichter vorgelagerten Funktionseinheit sondern dem Wechselrichter und dessen nachgeschalteten Komponenten entnommen werden.
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Das Istmoment M_ist kann über eine Berechnung der an der Welle der elektrischen Maschine herrschenden mechanischen Leistung P_mech als M_ist = P_mech/(2πn) bestimmt werden, wobei n die Drehzahl der elektrischen Maschine ist. Die mechanische Leistung P_mech ist die Differenz der elektrischen Leistung, die sich aus den Phasenströmen und Phasenspannungen der elektrischen Maschine berechnen lässt, und der Verlustleistung. Die Verlustleistung setzt sich aus Verlusten in den Leitungen zu der elektrischen Maschine, Verlusten in der elektrischen Maschine, Eisenverlusten und Reibungsverlusten zusammen. Die Verlustleistung steht als von einem Betriebspunkt (beispielsweise durch die Drehzahl und das Drehmoment festgelegt) der elektrischen Maschine abhängiger Parameter für die Überwachung bereit und wurde zuvor per Applikation in der elektrischen Maschine für genau ein Ansteuerverfahren ausgefahren.
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Die Verlustleistung kann auf diese Weise korrekt bestimmt werden, solange sie an einem Betriebspunkt konstant bleibt. Dies setzt aber voraus, dass die elektrische Maschine nur mit dem genau einen Ansteuerverfahren betrieben wird. Andere Ansteuerverfahren bewirken nämlich eine Änderung der Verlustleistung für einen Betriebspunkt und überlappen sich möglicherweise in einem über die Drehzahl und das Drehmoment aufgespannten Arbeitsbereich.
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Ohne Kenntnis des verwendeten Ansteuerverfahrens der elektrischen Maschine ist eine korrekte Bestimmung der Verlustleistung nicht möglich, und somit auch keine sichere Überwachung des von der elektrischen Maschine erzeugten Istmomentes.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Erkennen eines Ansteuerverfahrens eines Wechselrichters für eine Bestromung einer elektrischen Maschine mit N Phasen, die eine korrekte Bestimmung der Verlustleistung mit geringen Kosten und ohne Erfordernis zusätzlicher Eingangssignale für den Wechselrichter ermöglichen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
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Ein Verfahren zum Erkennen eines Ansteuerverfahrens eines Wechselrichters für eine Bestromung einer elektrischen Maschine mit N Phasen umfasst die Schritte zum: Erfassen eines dem Wechselrichter zugeführten und mit einem Periodenzyklus getakteten Ansteuersignals über eine vorgegebene Vielzahl von Periodenzyklen des Ansteuersignals; Ermitteln einer Tastverhältnishäufigkeit für das erfasste Ansteuersignal über die vorgegebene Vielzahl von Periodenzyklen; und Erkennen des Ansteuerverfahrens auf Grundlage der ermittelten Tastverhältnishäufigkeit. Die elektrische Maschine ist insbesondere als Synchronmaschine ausgebildet.
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Der Begriff der Tastverhältnishäufigkeit bezeichnet eine ermittelte Häufigkeit, mit der ein jeweiliges festgelegtes Tastverhältnis, beispielsweise 0 oder 1, während der vorgegebenen Vielzahl von Periodenzyklen auftritt. Das jeweilige Tastverhältnis kann durch jeweils genau einen Wert, beispielsweise 0 oder 1, oder durch einen jeweiligen Wertebereich, beispielsweise von 0,00 bis 0,05 oder von 0,95 bis 1,00, vorgegeben sein. Der Begriff des Tastverhältnisses bezeichnet das jeweilige Verhältnis einer Zeitdauer eines ersten Pegels des Ansteuersignals während eines jeweiligen Periodenzyklus zu der Zeitdauer des Periodenzyklus. Für ein Ansteuersignal, das zu ersten Zeiten einen hohen Pegel und zu anderen Zeiten einen niedrigen Pegel aufweisen kann, entspricht der erste Pegel bevorzugt dem hohen Pegel.
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Das Verfahren ermöglicht eine korrekte Bestimmung der Verlustleistung, ohne dass dem Wechselrichter zusätzliche Eingangssignale zwecks Bereitstellung einer Information über das verwendete Ansteuerverfahren zugeführt werden müssen. Somit können auch die Kosten für die Implementierung des Verfahrens gering gehalten werden.
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In einer Weiterbildung umfasst das Verfahren ferner, dass das Ermitteln der Tastverhältnishäufigkeit ein Ermitteln einer Häufigkeit eines Null-Tastverhältnisses, also eines Tastverhältnisses von 0, und/oder einer Häufigkeit eines Eins-Tastverhältnisses, also eines Tastverhältnisses von 1, umfasst, und dass das Ansteuerverfahren auf Grundlage der ermittelten Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses und/oder der ermittelten Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses erkannt wird. Dadurch wird eine exakte und einfach zu implementierende Erkennung des Ansteuerverfahrens ermöglicht.
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In einer Fortbildung der obigen Weiterbildung umfasst das Verfahren ferner, dass zu erkennenden Ansteuerverfahren ein jeweiliger vorgegebener Häufigkeitsbereich des Null-Tastverhältnisses und ein jeweiliger vorgegebener Häufigkeitsbereich des Eins-Tastverhältnisses zugeordnet sind, und dass ein Ansteuerverfahren erkannt wird, wenn die ermittelte Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses in dem diesem Ansteuerverfahren zugeordneten Häufigkeitsbereich des Null-Tastverhältnisses liegt und die ermittelte Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses in dem diesem Ansteuerverfahren zugeordneten Häufigkeitsbereich des Eins-Tastverhältnisses liegt. Dies ermöglicht eine noch exaktere und zuverlässigere Erkennung des Ansteuerverfahrens.
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In einer Fortbildung umfasst das Verfahren ferner, dass das Ansteuerverfahren für eine ermittelte Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses gleich Null und bevorzugt für eine ermittelte Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses gleich Null als ein kontinuierliches Ansteuerverfahren, insbesondere Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM), erkannt wird, und andernfalls als ein diskontinuierliches Ansteuerverfahren erkannt wird. Dadurch wird eine einfache und unkomplizierte Zuordnung des Ansteuerverfahrens ermöglicht.
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Unter diskontinuierlichen Ansteuerverfahren werden hierbei Ansteuerverfahren verstanden, bei denen die quasi-sinusförmige Steuerspannung (oder Sinus der dritten Harmonischen) verlassen wird, die mit den Ansteuersignalen erzeugt wird. In einer leichten Ausprägung der Diskontinuierlichkeit, beispielsweise für Ansteuerverfahren wie Übermodulation, Single-Zero-Pointer und Flattop, wird die Steuerspannung am höchsten und tiefsten Punkt über eine vorbestimmte Zeit oder einen vorbestimmten Winkel eingeebnet. Für diese diskontinuierlichen Ansteuerverfahren sind die Häufigkeit eines Tastverhältnisses von 0, also des Null-Tastverhältnisses, und/oder die Häufigkeit eines Tastverhältnisses von 1, also des Eins-Tastverhältnisses, höher als für das kontinuierliche SVPWM-Ansteuerverfahren. Bei dem Single-Zero-Pointer-Ansteuerverfahren kommen gar keine Eins-Tastverhältnisse vor, wohingegen Null-Tastverhältnisse häufiger als beim SVPWM-Ansteuerverfahren vorkommen. Bei einer ausgeprägten Form der Diskontinuierlichkeit, wie beispielsweise beim Blockbetrieb-Ansteuerverfahren, geht die Steuerspannung vollständig zu einem Rechtecksignal über, was in einer noch höheren Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses und des Eins-Tastverhältnisses resultiert.
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Bei dem kontinuierlichen SVPWM-Ansteuerverfahren gibt es hingegen nur wenige Augenblicke, wo das Tastverhältnis theoretisch 0 oder 1 erreicht. Praktisch wird bei dem SVPWM-Ansteuerverfahren jedoch nie ein Tastverhältnis von 0 oder 1 erreicht, weil bei diesem Verfahren zwischen aufeinander folgenden PWM-Periodenzyklen Mindest-Ein- und Ausschaltzeiten eingehalten werden müssen.
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Die obigen Feststellungen ermöglichen eine feiner aufgegliederte Zuordnung und somit exaktere Erkennung der diskontinuierlichen Ansteuerverfahren durch jeweilige Fortbildungen, die unten detaillierter aufgeführt sind und auch miteinander kombiniert werden können.
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In einer dieser Fortbildungen des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ansteuerverfahren für eine ermittelte Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses größer als Null und kleiner oder gleich als ein vorgegebener erster Grenzwert und für eine ermittelte Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses größer als Null und kleiner oder gleich als ein vorgegebener zweiter Grenzwert als ein Übermodulation-Ansteuerverfahren oder ein Flat-Top-Ansteuerverfahren erkannt wird.
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In einer weiteren dieser Fortbildungen des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ansteuerverfahren für eine ermittelte Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses größer als ein vorgegebener erster Grenzwert und für eine ermittelte Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses größer als ein vorgegebener zweiter Grenzwert als ein Blockbetrieb-Ansteuerverfahren erkannt wird.
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In noch einer weiteren dieser Fortbildungen des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ansteuerverfahren für eine ermittelte Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses größer als Null und kleiner als ein vorgegebener Grenzwert und für eine ermittelte Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses gleich Null als ein Single-Zero-Pointer-Ansteuerverfahren erkannt wird.
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Bei einer Kombination der obigen Fortbildungen ist bevorzugt der bezüglich des Null-Tastverhältnisses vorgegebene Grenzwert für die Erkennung der unterschiedlichen diskontinuierlichen Ansteuerverfahren als ein einziger Grenzwert festgelegt. Ferner ist bei einer Kombination der obigen Fortbildungen auch bevorzugt der bezüglich des Eins-Tastverhältnisses vorgegebene Grenzwert für die Erkennung der unterschiedlichen diskontinuierlichen Ansteuerverfahren als ein einziger Grenzwert festgelegt.
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Die obigen Fortbildungen ermöglichen somit eine detaillierte, exakte und leicht zu implementierende Erkennung des verwendeten Ansteuerverfahrens.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Verfahren, dass bei dem Erfassen des Ansteuersignals nur Komponenten des Ansteuersignals für eine obere Hälfte des als Vollbrücke ausgebildeten Wechselrichters oder nur Komponenten des Ansteuersignals für eine untere Hälfte des als Vollbrücke ausgebildeten Wechselrichters erfasst werden. Und zwar werden die Steuerspannungen für die elektrische Maschine mittels der Ansteuersignale an den IGBTs in der oberen oder unteren Halbbrücke des als Vollbrücke ausgebildeten Wechselrichters bzw. Inverters erzeugt, wobei die Ansteuersignale der oberen Halbbrücke bei einer vereinfachten Betrachtung ohne Beachtung einer einzuhaltenden Schutzzeit invertiert in der unteren Halbbrücke ausgegeben werden. Dies ermöglicht eine kostengünstige Implementierung des Verfahrens.
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Alternativ oder zusätzlich umfasst das weiterbildungsgemäße Verfahren, dass die Tastverhältnishäufigkeit als eine zusammengefasste Tastverhältnishäufigkeit über alle N Phasenkomponenten des Ansteuersignals ermittelt wird. Hierbei wird die Häufigkeit der Tastverhältnisse der N Phasen folglich insgesamt und ohne Zuordnung an die jeweiligen Phasen erfasst. Dies ermöglicht eine kostengünstige Implementierung des Verfahrens.
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Außerdem umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum Erkennen eines Ansteuerverfahrens eines Wechselrichters für eine Bestromung einer elektrischen Maschine mit N Phasen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum Erfassen eines dem Wechselrichter zugeführten und mit einem Periodenzyklus getakteten Ansteuersignals über eine vorgegebene Vielzahl von Periodenzyklen des Ansteuersignals, Ermitteln einer Tastverhältnishäufigkeit für das erfasste Ansteuersignal über die vorgegebene Vielzahl von Periodenzyklen und Erkennen des Ansteuerverfahrens auf Grundlage der ermittelten Tastverhältnishäufigkeit. In vorteilhaften Weiterbildungen ist die Vorrichtung ferner ausgebildet zur Ausführung mindestens einer der oben aufgeführten Weiterbildungen des Verfahrens. Verfahrensgemäß offenbarte Merkmale sollen auch als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und umgekehrt.
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Mit dieser Vorrichtung und ihren Weiterbildungen können dieselben Vorteile wie bei dem zuvor erläuterten Verfahren und dessen Weiterbildungen erzielt werden.
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Bevorzugt wird eines der obigen Verfahren oder eine der obigen Vorrichtungen verwendet, um ein Drehmoment bzw. ein Istmoment der elektrischen Maschine zu überwachen und/oder um eine betriebspunktabhängige Verlustleistung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einem durch das Verfahren oder die Vorrichtung erkannten Ansteuerverfahren zu schätzen. Dadurch kann auf besonders effiziente Weise das Istmoment der elektrischen Maschine korrekt berechnet und überwacht werden.
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung – ohne deren Beschränkung darauf – mit Verweis auf die Figuren erläutert, in denen identisch oder ähnliche Komponenten figurenübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
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1 einen Ausschnitt eines Systems mit einem Wechselrichter zur Bestromung einer elektrischen Maschine,
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2 ein SVPWM-Ansteuerverfahren für einen Wechselrichter für eine dreiphasige Bestromung und
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3 ein Verfahren zum Erkennen des Ansteuerverfahrens.
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1 veranschaulicht einen Ausschnitt eines Systems mit einem Wechselrichter 11 zur Bestromung einer elektrischen Maschine 1 mit N = 3 Phasen U, V und W. Der Wechselrichter 11 formt die in einer Batterie 2 gespeicherte Gleichstromenergie in jeweilige Phasenspannungen U_U0, U_V0 und U_W0 um, die als Wechselspannungen über Phasenleitungen 12 an die elektrische Maschine 1 gespeist werden. Der Wechselrichter 11 ist als Vollbrücke mit einer oberen und einer unteren Halbbrücke ausgebildet. Für jede der drei Phasen des Wechselrichters 11 wird die an die elektrische Maschine 1 gespeiste Wechselspannung durch eine Reihenschaltung einer der oberen Halbbrücke zugeordneten Parallelschaltung eines IGBT 7U, 7V bzw. 7W und einer Diode 8U, 8V bzw. 8W und einer der unteren Halbbrücke zugeordneten Parallelschaltung eines IGBT 9U, 9V bzw. 9W und einer Diode 10U, 10V bzw. 10W generiert. Eine mit Steuersignalen 4 gespeiste Ansteuereinheit bzw. Treiberschaltung 3 versorgt den Wechselrichter bzw. Inverter 11 mit Ansteuersignalen CU, CV, CW (für die obere Halbbrücke) und DU, DV, DW (für die untere Halbbrücke), um das Schaltverhalten der IGBTs 7U, 7V, 7W der oberen Halbbrücke bzw. 9U, 9V, 9W der unteren Halbbrücke des Wechselrichters 11 zu steuern.
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Eine Vorrichtung zum Erkennen des Ansteuerverfahrens 5 wird mit den Ansteuersignalen CU, CV und CW für die obere Halbbrücke des Wechselrichters 11 gespeist. Die Vorrichtung 5 ist zum Ausführen einer der oben dargestellten Verfahren ausgebildet und erkennt das Ansteuerverfahren auf Grundlage der über eine vorgegebene Vielzahl von Periodenzyklen eingespeisten Ansteuersignalen CU, CV und CW. Die Vorrichtung 5 stellt an ihrem Ausgang eine Information 6 bezüglich des durch die Vorrichtung 5 erkannten Ansteuerverfahrens bereit, dessen Kenntnis anschließend für eine korrekte Bestimmung der Verlustleistung bzw. eine Überwachung des Istmomentes genutzt wird.
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2 veranschaulicht am Beispiel eines SVPWM-Ansteuerverfahrens für einen Wechselrichter für eine dreiphasige Bestromung einer elektrischen Maschine einen Zusammenhang zwischen Ansteuersignalen CU, CV und CW, die in der linken Hälfte von 2 beispielhaft abgebildet sind, und den resultierenden Steuerspannungen U_U0, U_V0 und U_W0 für die elektrische Maschine 1, die in der rechten Hälfte von 2 beispielhaft abgebildet sind. Die Ansteuerspannungen sind für einen Periodenzyklus mit einer Zeitdauer T_PWM und jeweiligen Zeitdauern eines hohen Pegels T_CU, T_CV bzw. T_CW gezeigt. Die vertikalen Zeitachsen 20 und 21 bilden demselben Zeitpunkt zugehörige Ansteuerpegel bzw. Steuerspannungen ab. Um eine maximale Steuerspannung in einer Phase zu erzeugen, muss das entsprechende Ansteuersignal ein maximales Tastverhältnis ausgeben. Um eine minimale Steuerspannung einer Phase auszugeben, muss das zugehörige Ansteuersignal ein minimales Tastverhältnis ausgeben.
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3 veranschaulicht ein Verfahren zum Erkennen des Ansteuerverfahrens in Abhängigkeit einer ermittelten Häufigkeit x eines Null-Tastverhältnisses (linke Spalte in 3) und einer ermittelten Häufigkeit y eines Eins-Tastverhältnisses (mittlere Spalte in 3), wobei die Häufigkeiten über eine Vielzahl von Periodenzyklen ermittelt wurden. Wird die Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses x als Null ermittelt (x = 0), und wird die Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses y ebenfalls als Null ermittelt (y = 0), so wird als Ansteuerverfahren das SVPWM-Ansteuerverfahren erkannt („A“ in der rechten Spalte von 3). Ist die Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses x hingegen größer als Null und kleiner gleich einem ersten vorgegebenen Grenzwert X1 (mit X1 > 0), und ist die Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses y größer als Null und kleiner gleich einem zweiten vorgegebenen Grenzwert Y1 (mit Y1 > 0), so wird als Ansteuerverfahren das Übermodulation-Ansteuerverfahren oder das Flat-Top-Ansteuerverfahren erkannt („B“ in der rechten Spalte von 3). Ist die Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses x größer als Null und kleiner gleich dem ersten vorgegebenen Grenzwert X1, und ist die Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses y gleich Null, so wird als Ansteuerverfahren das Single-Zero-Pointer-Ansteuerverfahren erkannt („C“ in der rechten Spalte von 3). Überschreitet die Häufigkeit des Null-Tastverhältnisses x den vorgegebenen ersten Grenzwert X1, und überschreitet die Häufigkeit des Eins-Tastverhältnisses y den vorgegebenen zweiten Grenzwert Y1, so wird als Ansteuerverfahren das Blockbetrieb-Ansteuerverfahren erkannt („D“ in der rechten Spalte von 3).
