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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Als elektrische Maschinen werden in Kraftfahrzeugen u.a. Klauenpolmaschinen mit elektrischer Erregung eingesetzt. Der Klauenpolmaschine ist ein Stromrichter (im Folgenden allgemein mit "Maschinenelektronikeinheit" bezeichnet) nachgeschaltet, der Dioden und/oder Halbleiterschalter aufweist, um einen generatorischen bzw. motorischen Betrieb zu ermöglichen. Der Strom durch die Läuferwicklung dient als Stellgröße zur Regelung der gewünschten Ausgangsspannung (generatorischer Betrieb) oder eines geforderten Drehmomentes (motorischer Betrieb) und wird von einem zugeordneten Feldregler vorgegeben. Eine derartige Regelung ist erforderlich, weil anderenfalls durch die sehr unterschiedlichen Motordrehzahlen von der elektrischen Maschine stark schwankende Spannungswerte geliefert würden, die gegebenenfalls die nachgeordnete Elektrik beschädigen könnten.
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Je nach Betriebszustand kann es bei elektrischen Maschinen im Allgemeinen und bei fremderregten Synchronmaschinen im Speziellen zu einer Überhitzung von Bauteilen und folglich zu einem Ausfall der Maschine kommen. Beispielsweise bei der sog. Boost-Rekuperationsmaschine (im Hochvoltbordnetz, z.B. 48V) sind insbesondere die am Läufer angebrachten Permanentmagnete sowie die Isolationspapiere im Läufer und Ständer anfällig für eine thermische Schädigung.
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Um ein Überhitzen zu verhindern, kann eine Abregelung der Leistung auf Basis von Temperaturinformationen erfolgen.
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Aus der
DE 10 2010 062 338 A1 ist es bekannt, dass eine elektrische Maschine in einem vorgegebenen Arbeitspunkt durch Einstellen der Erreger- und Ständerströme wirkungsgradoptimal geregelt werden kann, wobei die Stromhöhen die Wärmeentwicklung in den jeweiligen Komponenten wesentlich beeinflussen. Daher kann die Stromverteilung zwischen dem Läufer (Erregerstrom) und dem Ständer (Ständerströme bzw. Phasenströme) gegebenenfalls derart verschoben werden, dass für einen gegebenen Arbeitspunkt die Verluste im Läufer bzw. Ständer minimiert und somit die Wärmeentwicklung und die Temperatur in der entsprechenden Komponente begrenzt werden.
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Die
DE 101 06 944 A1 offenbart ein Verfahren zur Regelung der Leistungsabgabe einer elektrischen Maschine mit Erregerwicklung, Ständerwicklungen und Pulswechselrichter. Die elektrische Maschine kann als Generator und Motor betrieben werden. Regelungstechnisch wird das Überschreiten einer kritischen Temperatur an temperaturempfindlichen Bauteilen der elektrischen Maschine verhindert. Es werden Temperaturen der kritischen Bauteile bestimmt und mit kritischen Temperaturen verglichen. Bei Erreichen der kritischen Temperatur an einem kritischen Bauteil erfolgt eine Zuordnung, welche Stellgröße die Temperatur des zu warmen Bauteils beeinflusst. Der Sollwert einer oder mehrerer Stellgrößen wird verändert, so dass die Temperatur des zu warmen Bauteils sinkt. Die Stellgrößen können der Erregerstrom und/oder die Phasenströme sein. Kritische Bauteile der elektrischen Maschine sind beispielsweise der Zwischenkreiskondensator, der Pulswechselrichter, das Schleifringsystem, Leistungshalbleiter (FET), der Mikrocontroller (µC) oder das ASIC.
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Aus der
US 5 446 362 A ist es bekannt, Temperaturen an unterschiedlichen Komponenten einer elektrischen Maschine zu ermitteln und ein Drehmoment der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von diesen ermittelten Temperaturen zu begrenzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Kern der Erfindung ist die getrennte Ermittlung der Bauteiltemperaturen an Ständer, Läufer und Maschinenelektronikeinheit und eine auf diesen Temperaturinformationen basierende Variation des Erregerstroms im Läufer sowie der Phasenströme im Ständer. Wenn eine der Temperaturen den Grenzwert erreicht, kann bei konstanter Abgabeleistung eine Verschiebung der anfallenden Verlustleistung vom Läufer in den Ständer und umgekehrt erfolgen, sodass die thermische Belastung der zugehörigen Bauteile in gewissen Grenzen einstellbar ist.
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Die Erfindung schafft die Möglichkeit, ein Überhitzen der elektrischen Maschine durch bedarfsgerechte Leistungsabregelung zu verhindern. Dabei wird durch bedarfsgerechte Aufteilung der Verlustleistung zwischen Ständer und Läufer sowie ggf. der Maschinenelektronikeinheit der Betriebsbereich erweitert. Insbesondere ist es möglich, adaptiv je nach Betriebspunkt einen optimalen Kompromiss aus Wirkungsgrad und (Dauer-)Leistung einzustellen.
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Da sich je nach Betriebspunkt nur einzelne Bauteile am Temperaturlimit befinden, während andere noch eine zusätzliche Temperaturerhöhung ertragen könnten, wird durch die Erfindung ermöglicht, das volle Leistungspotenzial im gesamten Betriebsbereich auszunutzen.
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Durch die Erfindung kann die elektrische bzw. mechanische Abgabeleistung des Antriebs im thermischen Grenzbereich einzelner Komponenten erhöht werden. Weiterhin wird die Möglichkeit einer automatischen Ansteuerungsoptimierung hinsichtlich Wirkungsgrad und Abgabeleistung während des Betriebs geschaffen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Generators mit Stromrichter mit ansteuerbaren Schaltelementen, wie er der Erfindung zugrunde liegen kann.
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2 zeigt schematisch der Erfindung zugrunde liegende Zusammenhänge.
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3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines Regelblocks.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine elektrische Maschine, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann, schaltplanartig dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die elektrische Maschine weist eine Generatorkomponente 10 und eine Stromrichterkomponente 20 auf. Die Stromrichterkomponente wird im generatorischen Betrieb der Maschine üblicherweise als Gleichrichter und im motorischen Betrieb der Maschine als Wechselrichter betrieben.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ist ein dreiphasiger Generator dargestellt. Im Prinzip ist die vorliegende Erfindung jedoch auch bei weniger- oder mehrphasigen Generatoren, beispielsweise fünfphasigen Generatoren einsetzbar.
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Die Generatorkomponente 10 ist lediglich schematisch in Form von sternförmig verschalteten Ständerwicklungen 11 und einer zu einer Diode parallel geschalteten Erreger- bzw. Läuferwicklung 12 dargestellt. Die Läuferwicklung wird durch einen Leistungsschalter 13, der mit einem Anschluss 24 der Stromrichterkomponente 20 verbunden ist, getaktet geschaltet. Die Ansteuerung des Leistungsschalters 13 erfolgt nach Maßgabe eines Feldreglers 15.
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Die Stromrichterkomponente 20 ist hier als B6-Schaltung ausgeführt und weist Schaltelemente 21 auf, die beispielsweise als MOSFET 21 ausgeführt sein können. Die MOSFET 21 sind, beispielsweise über Stromschienen, mit den jeweiligen Ständerwicklungen 11 des Generators verbunden. Ferner sind die MOSFET mit Anschlüssen 24, 24' verbunden und stellen bei entsprechender Ansteuerung einen Gleichstrom für ein Bordnetz 30 eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung. Die Ansteuerung der Schaltelemente 21 erfolgt über eine Ansteuereinrichtung 25 über Ansteuerkanäle 26, von denen aus Gründen der Übersicht nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind. Die Ansteuereinrichtung 25 erhält über Signalkanäle 27 jeweils Messwerte z.B. der Phasenströme, der Phasenspannung der einzelnen Ständerwicklungen, des Rotorwinkels, des Erregerstroms und/oder der Versorgungsspannung. Zur Bereitstellung dieser Messwerte können weitere Einrichtungen vorgesehen sein, die jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
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Die Ansteuereinrichtung 25 nimmt eine Auswertung der bereitgestellten Messwerte vor und bestimmt hieraus einen jeweiligen Ein- und Ausschaltzeitpunkt eines einzelnen MOSFET 21 und 13. Dafür verfügt die Ansteuereinrichtung 25 auch über eine Recheneinheit, wie z.B. einen Mikrocontroller. Die Steuerung über Ansteuerkanäle 26 wirkt sich auf die Gate-Anschlüsse der MOSFET 21 und 13 aus.
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Fachsprachlich wird mit "Inverter" eine Baugruppe bezeichnet, die sowohl die Schaltelemente 21 und 13 als auch die Ansteuereinrichtung 25 aufweist. Ein Inverter verfügt üblicherweise über ein eigenes Gehäuse und ist an der elektrischen Maschine befestigt. Dementsprechend setzt sich die Wärmeentwicklung des Inverters nicht nur aus der Verlustleistung der Inverterbauelemente, sondern auch aus der Verlustleistung der Ständerwicklungen zusammen.
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Eine solche Baugruppe mit Schaltelementen 21, 13 und Ansteuereinrichtung 25 stellt die zu überwachende Maschinenelektronikeinheit 200 dar.
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Zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben wird, verfügt die elektrische Maschine 100 über Temperatursensoren T, insbesondere über jeweils einen Temperatursensor für die Maschinenelektronikeinheit 200, die Ständerwicklungen 11 und die Läuferwicklung 12. Die Maschinenelektronikeinheit 200 ist programmtechnisch dazu eingerichtet, die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung durchzuführen. Alternativ oder zusätzlich zur Erfassung der Temperaturen mittels Temperatursensoren kann auch eine Ermittlung mittels Temperaturmodellen vorgesehen sein
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In 2 sind der Erfindung zugrunde liegende Zusammenhänge schematisch dargestellt. Die Generatorkomponente 10 ist auf der linken Seite dargestellt und dient zur Abgabe oder Aufnahme mechanischer Leistung Pmech. Die Maschinenelektronikeinheit 200 nimmt dazu aus dem angeschlossenen Gleichspannungsnetz eine elektrische Gleichstromleistung Pel,DC auf.
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Während des Betriebs herrscht in den Ständerwicklungen 11 eine Ständertemperatur TS, die im Wesentlichen von der Umgebungstemperatur TU und von der Ständerverlustleistung PV,S beeinflusst wird. Die Ständerverlustleistung PV,S wiederum wird im Wesentlichen von den Ständerströmen bzw. Phasenströmen IPhase beeinflusst. Bei der in 1 gezeigten dreiphasigen Maschine sind dies die drei Phasenströme IPhase,U, IPhase,V und IPhase,W. Ebenso können jedoch auch mehr (z.B. fünf) oder weniger (z.B. zwei) Phasen vorgesehen sein.
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In der Läuferwicklung 12 herrscht eine Läufertemperatur TR, die im Wesentlichen von der Umgebungstemperatur TU und der Läuferverlustleistung PV,R beeinflusst wird. Die Läuferverlustleistung PV,R wird wiederum im Wesentlichen vom Erregerstrom IErr beeinflusst.
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In der Maschinenelektronikeinheit herrscht eine Maschinenelektronikeinheitstemperatur TE, die im Wesentlichen von der Maschinenelektronikeinheitsverlustleistung PV,E beeinflusst wird. Die Maschinenelektronikeinheitsverlustleistung PV,E wird im Wesentlichen von den Phasenströmen IPhase und vom Erregerstrom IErr beeinflusst.
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Bei der Durchführung der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die drei genannten Temperaturen TR, TS und TE erfasst, insbesondere mittels entsprechender Temperatursensoren, und einem Verarbeitungsblock 300 der Maschinenelektronikeinheit 200 zugeführt. Der Verarbeitungsblock 300 ist insbesondere als Softwareprozess ausgebildet.
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Der Verarbeitungsblock 300 ist dazu eingerichtet, Sollwerte für die Phasenströme IPhase,soll und für den Erregerstrom IErr,soll so vorzugeben, dass die Ständertemperatur TS kleiner als eine maximal zulässige bzw. kritische Ständertemperatur TS,krit ist, dass die Läufertemperatur TR kleiner als eine maximal zulässige bzw. kritische Läufertemperatur TR,krit ist, und dass die Maschinenelektronikeinheitstemperatur TE kleiner als eine maximal zulässige bzw. kritische Maschineneinheitselektroniktemperatur TE,krit ist.
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Vorzugsweise ist der Verarbeitungsblock 300 auch dazu eingerichtet, diese Vorgaben so zu machen, dass gleichzeitig ein Wirkungsgrad η aus elektrischer Leistung Pel,DC und mechanischer Leistung Pmech maximal ist.
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In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Verarbeitungsblocks 300 dargestellt. Um rechtzeitig eine Übertemperatur verhindern zu können, wird im gezeigten Beispiel die jeweils aktuelle Temperatur TR, TS bzw. TE mit einem Eingriffsschwellwert verglichen, der sich jeweils aus der zugehörigen kritischen Temperatur abzüglich einer Toleranzschwelle ΔTol ergibt. Ist die jeweilige Relation wahr, wird in den Ast "1" verzweigt, ist sie unwahr, wird in den Ast "0" verzweigt. Es sei darauf hingewiesen, dass für die genannten Temperaturen jeweils dieselbe oder unterschiedliche Toleranzschwellen gewählt werden können.
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Zum Betrieb der fremderregten Synchronmaschine werden die Phasenströme IPhase und der Erregerstrom IErr von der Maschinenelektronikeinheit 200 betriebspunktabhängig eingestellt. Die Phasenströme IPhase werden durch die Ansteuerung so eingestellt, dass die gewünschte mechanische bzw. elektrische Leistung (Pmech bzw. Pel,DC) beim jeweiligen Erregerstrom abgegeben wird. Erregerstrom und Phasenströme können zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes teilweise gegeneinander substituiert werden. Bei gleicher Abgabeleistung (Pel,DC bzw. Pmech) kann ein kleinerer Erregerstrom durch höhere Phasenströme ersetzt werden und umgekehrt. Dies führt allerdings zu unterschiedlichen Wirkungsgraden.
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Wenn sowohl Läufer- als auch Ständer- und Maschinenelektronikeinheitstemperatur unterhalb des jeweiligen Eingriffsschwellwerts liegen, wird der Erregerstrom IErr in Block 301 so gewählt, dass sich ein wirkungsgradoptimaler Betrieb ergibt.
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Wenn sowohl Läufer- als auch Ständer- und Maschinenelektronikeinheitstemperatur oberhalb des jeweiligen Eingriffsschwellwerts liegen, wird in Block 304 eine Abregelung der Nutzleistung vorgenommen. Dies erfolgt z.B. durch Reduzierung des Soll-Drehmomentes Msoll in der Maschinenelektronikeinheit. Phasenströme und in der Regel auch Erregerstrom sinken hierdurch, was zu einer Reduzierung der Gesamtverlustleistung und damit zu einer geringeren thermischen Belastung führt.
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Wenn nur die Läufertemperatur (nicht jedoch Ständer- und/oder die Maschinenelektronikeinheitstemperatur) die den Eingriffsschwellwert erreicht oder überschreitet, wird in Block 303 eine Verlustleistungsverschiebung zugunsten des Läufers vorgenommen. Hierzu werden der Erregerstrom IErr reduziert und die Phasenströme IPhase erhöht, um die Nutzleistung auf dem Sollwert zu halten. Dabei wird ggf. eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrades in Kauf genommen. Das Soll-Drehmoment Msoll wird konstant gehalten.
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Wenn nur die Ständer- und/oder die Maschinenelektronikeinheitstemperatur (nicht jedoch die Läufertemperatur) den Eingriffsschwellwert erreichen oder überschreiten, wird in Block 302 eine Verlustleistungsverschiebung zugunsten von Ständer und Maschinenelektronikeinheit vorgenommen. Hierzu werden der Erregerstrom IErr erhöht und die Phasenströme IPhase reduziert, um die Nutzleistung auf dem Sollwert zu halten. Dabei wird ggf. eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrades in Kauf genommen. Das Soll-Drehmoment Msoll wird konstant gehalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062338 A1 [0005]
- DE 10106944 A1 [0006]
- US 5446362 A [0007]
