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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehfeldmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung das Abbremsen einer laufenden Drehfeldmaschine.
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Stand der Technik
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Eine Drehfeldmaschine umfasst einen Stator und einen Rotor, die um eine gemeinsame Drehachse drehbar gegeneinander gelagert sind. Am Stator, der auch Ständer genannt wird, sind mehrere elektrische Wicklungen fest angebracht. Zur Steuerung einer Drehbewegung des Rotors, der auch Läufer genannt wird, werden zyklische, phasenversetzte Ströme durch die Wicklungen gesteuert. Im Allgemeinen sind die Stromverläufe sinusförmig und Winkel, die die Wicklungen bezüglich der Drehachse miteinander einschließen, entsprechen Phasenwinkeln zwischen den Stromverläufen. Die Frequenz der Stromverläufe bestimmt eine Drehgeschwindigkeit der Drehfeldmaschine. Die Stromverläufe können beispielsweise mittels einer feldorientierten Regelung bereitgestellt werden.
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Soll die Drehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator abgebremst werden, so kann hierfür ein aktiver Kurzschluss herbeigeführt werden. Dabei werden die Wicklungen üblicherweise zueinander parallel geschaltet und dadurch miteinander kurzgeschlossen. Die Drehfeldmaschine kann so als Generator verwendet werden, der unter Erzeugung eines Bremsmoments elektrische Energie bereitstellt. Allerdings kann insbesondere bei einer hohen Drehzahl durch einen Kurzschluss nicht immer ein optimales Bremsmoment aufgebracht werden, sodass der Rotor unter Umständen nicht maximal abgebremst wird.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Technik zum Abbremsen einer elektrischen Drehfeldmaschine anzugeben. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine elektrische Drehfeldmaschine umfasst mehrere elektrische Wicklungen, einen Stator und einen Rotor. Ein Verfahren zum Abbremsen der Drehfeldmaschine umfasst Schritte des Steuerns eines zyklischen Stromverlaufs mit vorbestimmter Frequenz durch eine der Wicklungen; des Steuerns des Stromverlaufs mit verringerter Frequenz, bis ein vorbestimmter Phasenwinkel zwischen einem Drehwinkel des Rotors und einem Drehwinkel des Stromverlaufs erreicht ist; und des Steuerns des Stromverlaufs unter Beibehaltung des vorbestimmten Phasenwinkels.
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Das Verfahren ist zum Einsatz an verschiedenen Typen von Drehfeldmaschinen geeignet. Durch das Einhalten des vorbestimmten Phasenwinkels zwischen dem Drehwinkel des Rotors und dem Drehwinkel des Stromverlaufs kann die Bremswirkung des mittels der Wicklungen bereitgestellten Magnetfelds auf den Rotor kontrolliert werden. Insbesondere kann das Bremsmoment auf den Rotor maximiert werden.
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Die verringerte Frequenz kann nach Bedarf gewählt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird insbesondere eine Frequenz von ca. null gewählt, was einem Konstanthalten („Einfrieren“) des aktuellen Wicklungsstroms entspricht. In anderen Ausführungsformen kann beispielsweise eine von der Drehzahl des Rotors abhängige Verringerung der Frequenz durchgeführt werden. Die Frequenz kann auch in den negativen Bereich verringert werden, um den vorbestimmten Phasenwinkel möglichst rasch einzustellen. Durch das Verringern der Frequenz kann eine Gefahr, die Position des Rotors zu verlieren, verringert sein.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere zum Abbremsen einer Drehfeldmaschine aus einer hohen Drehzahl, beispielsweise im Bereich von ca. 70 %, ca. 80 %, ca. 90 % oder mehr ihrer Grenzdrehzahl. Bereits durch kurzes Absenken der Frequenz kann der vorbestimmte Winkel eingestellt werden.
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Es ist bevorzugt, dass der Phasenwinkel auf der Basis einer in der Wicklung induzierten Spannung bestimmt wird. Diese Spannung wird auch elektromotorische Kraft (EMK), Urspannung oder Quellenspannung genannt. Sie entsteht durch generatorische Effekte an der laufenden Drehfeldmaschine. Die induzierte Spannung kann Hinweise auf eine Drehrichtung, einen Drehwinkel oder eine Drehgeschwindigkeit des Rotors geben.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der vorbestimmte Phasenwinkel erreicht ist, wenn die induzierte Spannung einen Wendepunkt aufweist. In diesem Fall beträgt der Phasenwinkel zwischen dem Drehwinkel des Rotors und dem Drehwinkel des Stromverlaufs üblicherweise ca. -120°. Das übertragbare Drehmoment zwischen dem magnetischen Feld der Wicklung und dem Rotor kann bei diesem Winkel maximal sein. Der Wendepunkt kann beispielsweise bestimmt werden, wenn die zweite Ableitung der induzierten Spannung ihr Vorzeichen wechselt oder wenn die zweite Ableitung null beträgt und die dritte Ableitung ungleich null ist.
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Weitere mathematische Kriterien zur Bestimmung des Wendepunkts können ebenfalls angewandt werden. Da der Verlauf der induzierten Spannung als sinusförmig angenommen werden kann, können beliebig hohe Ableitungen von ihm leicht gebildet werden. Bezeichnet ,→’ eine Ableitung, so gilt: sin(x) → cos(x) → -sin(x) → - cos(x) → sin(x) und so weiter.
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Im Allgemeinen entspricht der Wendepunkt auch dem Nulldurchgang der induzierten Spannung. Da jedoch der Rotor seit dem Beginn des Verringerns der Frequenz des Wicklungsstroms bereits Drehgeschwindigkeit verloren haben kann, kann ein absoluter Betrag der Spannung an der Wicklung verändert sein, die Form des Signals bleibt jedoch erhalten. Der Wendepunkt kann daher eine zuverlässigere oder genauere Bestimmung des korrekten Winkels bzw. Zeitpunkts erlauben als die Nullstelle.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Drehfrequenz auf der Basis einer Amplitude der induzierten Spannung bestimmt wird. Dazu kann insbesondere der Betrag eines lokalen Extremwerts (Maximum oder Minimum) betrachtet werden. Je größer dieser Betrag ist, desto höher ist die Drehfrequenz.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der vorbestimmte Phasenwinkel nur oberhalb einer vorbestimmten Drehfrequenz beibehalten wird. Dadurch kann das Verfahren im Wesentlichen auf einen hohen Drehzahlbereich der Drehfeldmaschine beschränkt sein. In einem niedrigeren Drehzahlbereich kann eine andere Technik zum Abbremsen der Drehfeldmaschine bzw. ihres Rotors verwendet werden. Durch entsprechende Wahl der vorbestimmten Drehfrequenz kann das Verfahren leicht an unterschiedliche Anwendungsfälle oder Drehfeldmaschinen angepasst werden.
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Unterhalb einer vorbestimmten Drehfrequenz, optional der oben genannten Drehfrequenz, wird bevorzugt der Stromverlauf mit verringerter Frequenz gesteuert. Die verringerte Frequenz kann insbesondere null betragen, was einem Konstanthalten des Wicklungsstroms entsprechen kann.
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Bevorzugt umfasst die Drehfeldmaschine mehrere Wicklungen, wobei das Verfahren das Steuern von phasenverschobenen Stromverläufen durch mehrere Wicklungen umfasst. Phasenwinkel zwischen den Stromverläufen durch die einzelnen Wicklungen sind dabei üblicherweise konstant. Zum Abbremsen der Drehfeldmaschine können die Wicklungen unterhalb einer vorbestimmten Drehfrequenz des Rotors auch elektrisch zueinander parallel geschaltet werden. Diese Schaltung wird auch aktiver Kurzschluss genannt, insbesondere dann, wenn ein Ende jeder Wicklung mit einem positiven oder negativen Potential einer Zwischenkreisspannung verbunden ist, aus der die durch die Wicklungen fließenden Ströme mittels Stromventilen erzeugt werden können.
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Eine Steuervorrichtung für die oben genannte Drehfeldmaschine umfasst eine Brückenschaltung zur Bereitstellung eines vorbestimmten Stroms durch die Wicklung; eine Abtastvorrichtung zur Bestimmung eines Phasenwinkels zwischen einem Drehwinkel des Rotors und einem Drehwinkel des Stromverlaufs; eine Schnittstelle zur Erfassung einer Anforderung zum Abbremsen des Rotors; und eine Verarbeitungseinrichtung. Die Verarbeitungseinrichtung ist dazu eingerichtet, einen zyklischen Stromverlauf vorbestimmter Frequenz durch die Wicklung zu steuern. Ferner ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, in Antwort auf eine erfasste Anforderung den Stromverlauf mit verringerter Frequenz zu steuern, bis der Phasenwinkel einen vorbestimmten Wert erreicht hat, und den Stromverlauf dann unter Beibehaltung des vorbestimmten Phasenwinkels zu steuern.
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Die Steuervorrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, einen motorischen Betrieb der Drehfeldmaschine in bekannter Weise und zusätzlich ein Abbremsen der laufenden Drehfeldmaschine nach der oben beschriebenen Technik durchzuführen. Dazu kann die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet sein, das oben beschriebene Verfahren ganz oder teilweise durchzuführen. Die Verarbeitungseinrichtung kann einen programmierbaren Mikrocomputer umfassen und das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, das auf der Verarbeitungseinrichtung ablaufen oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein kann.
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Mittels der Steuervorrichtung kann die Drehfeldmaschine effizient abgebremst oder angehalten werden. Insbesondere in einem Traktionsantrieb, beispielsweise als Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs oder als Antriebsmotor eines Hilfs- oder Nebenaggregats an Bord eines Kraftfahrzeugs, kann die beschriebene Technik zur verbesserten Steuerung der Drehfeldmaschine eingesetzt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Drehfeldmaschine einen bürstenlos kommutierten Gleichstrommotor. Dabei kann die Steuerung des Gleichstrommotors sensorlos erfolgen, das heißt, dass keine dedizierte Abtastvorrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels oder einer Drehzahl des Rotors gegenüber dem Stator vorgesehen ist. Die Steuerung erfolgt hier ausschließlich auf der Basis abgetasteter Ströme und Spannungen bei der Ansteuerung der Wicklung.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein System mit einer Drehfeldmaschine und einer Steuervorrichtung;
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abbremsen einer laufenden Drehfeldmaschine; und
- 3 Verläufe von Strömen und Spannungen an einer Drehfeldmaschine
darstellt.
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1 zeigt ein System 100 mit einer Drehfeldmaschine 105 und einer Steuervorrichtung 110. Die Drehfeldmaschine 105 umfasst einen Stator 115 und einen Rotor 120, die gegeneinander bezüglich einer Drehachse drehbar gelagert sind. Mehrere Wicklungen 125 sind derart an der Drehfeldmaschine 105 angebracht, dass sie ein sich um die Drehachse drehendes Magnetfeld erzeugen können, um den Rotor 120 gegenüber dem Stator 115 in Drehung zu versetzen. Üblicherweise sind drei Wicklungen 125 vorgesehen, die sternförmig miteinander verschaltet sind, wie in 1 dargestellt ist. Ein Ende jeder Wicklung 125 ist mit einer Brückenschaltung 130 verbunden, die zwei Stromventile 135 umfasst, von denen eines den Anschluss der Wicklung 125 mit einem positiven Potential, das andere mit einem negativen Potential eines Zwischenkreises 140 verbinden kann. Der Zwischenkreis 140 umfasst bevorzugt einen Zwischenkreiskondensator 145, an dem eine vorbestimmte Gleichspannung anliegt.
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Die Brückenschaltungen 130 bilden zusammen einen Wechselrichter 150.
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Die einzelnen Stromventile 135 werden üblicherweise mittels eines Pulsweitenmodulators (PWM) 155 angesteuert. Dabei werden die Stromventile 135 jeder Brückenschaltung 130 derart alternierend geschlossen, dass sich an der zugeordneten Wicklung 125 eine vorbestimmte Spannung bzw. ein vorbestimmter Strom einstellt. Dreht sich der Rotor 120 gegenüber dem Stator 115, so sind Strom- oder Spannungsverläufe an den Wicklungen 125 im Wesentlichen sinusförmig. Dabei bestehen vorbestimmte Phasenwinkel zwischen korrespondierenden Größen unterschiedlicher Wicklungen 125. Üblicherweise sind die Wicklungen 125 paarweise um 120° um die Drehachse versetzt und zwischen Drehwinkeln von Wicklungsströmen zweier Wicklungen 125 liegt der gleiche Winkel.
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Frequenzen und Amplituden der durch die Wicklungen 125 zu bewirkenden Ströme werden bevorzugt mittels einer Verarbeitungseinrichtung 160 bestimmt, die den Pulsweitenmodulator 155 ansteuert. Die Verarbeitungseinrichtung 160 kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine feldorientierte Steuerung oder eine feldorientierte Regelung durchzuführen. Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Bestimmung eines Ist-Zustands der Drehfeldmaschine 105 ohne einen mechanischen Sensor, insbesondere einen Drehzahl- oder Drehwinkelsensor, auskommt. Beispielsweise können einer oder mehrere Stromsensoren 165 oder einer oder mehrere Spannungssensoren 170 vorgesehen sein. Der Stromsensor 165 kann einen durch eine der Wicklungen 125 fließenden Strom oder den durch alle Wicklungen 125 fließenden Strom bestimmen. In der dargestellten Ausführungsform ist Letzteres der Fall. Ein Spannungssensor 170 ist üblicherweise jeweils einer Wicklung 125 zugeordnet und tastet die an ihr anliegende Wicklungsspannung ab.
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Bevorzugt ist eine Schnittstelle 175 vorgesehen, über die eine Drehmoment-, Drehzahl- oder Drehrichtungsanforderung der Drehfeldmaschine 105 entgegengenommen werden kann. Die Schnittstelle 175 kann mit einer weiteren Steuereinrichtung verbunden werden, um beispielsweise einen Antrieb einer Vorrichtung zu steuern.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Steuern einer Drehfeldmaschine 105 wie der aus 1. Dabei wird insbesondere eine Technik zum Abbremsen der Drehfeldmaschine 105 bzw. der Drehbewegung ihres Rotors 120 gegenüber ihrem Stator 115 genauer ausgeführt. Zur besseren Verständlichkeit bezieht sich die folgende Beschreibung auf lediglich eine Wicklung 125 der Drehfeldmaschine 105, auch wenn in der Praxis üblicherweise mehrere Wicklungen 125 zueinander phasenverschoben angesteuert werden.
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In einem Schritt 205 wird ein zyklischer Stromverlauf an der Wicklung 125 gesteuert. Der Rotor 120 dreht sich gegenüber dem Stator 115 mit einer Drehfrequenz, die der Frequenz eines Wechselstroms entspricht, der durch die Wicklung 125 fließt. Ein Bezugspunkt des Rotors 120 sei ohne Beschränkung der Allgemeinheit so gewählt, dass ein Phasenwinkel zwischen dem Drehwinkel des Rotors 120 und dem Drehwinkel des Stromverlaufs durch die Wicklung 125 im Normalbetrieb im Wesentlichen null ist.
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In einem Schritt 210, der nebenläufig zu den anderen dargestellten Schritten durchgeführt werden kann, wird eine in der Wicklung 125 induzierte Spannung abgetastet. Die induzierte Spannung eilt dem durch die Wicklung 125 fließenden Strom um 90° voraus. Je höher die Drehzahl der Drehfeldmaschine 105 ist, desto größer ist auch die induzierte Spannung. Dabei wird die Höhe einer an der Wicklung 125 mittels der Brückenschaltung 130 angelegten Spannung nicht betrachtet.
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In einem Schritt 215 erfolgt eine Anforderung zum Abbremsen der Drehfeldmaschine 105. Diese Anforderung kann insbesondere ein schnellstmögliches Anhalten oder Abbremsen der Drehfeldmaschine 105 auf eine vorbestimmte Drehzahl umfassen.
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In einem Schritt 220 kann überprüft werden, ob eine Drehzahl bzw. eine Frequenz des Drehwinkels des Rotors 120 gegenüber dem Stator 115 über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. Ist dies der Fall, so fährt das Verfahren 200 bevorzugt mit einem Schritt 225 fort, in welchem der Stromverlauf an der Wicklung 125 mit verringerter Frequenz gesteuert wird. Diese Frequenz kann insbesondere bei oder nahe null liegen, sodass der im Schritt 205 zuletzt durch die Wicklung 125 fließende Strom beibehalten wird. Aufgrund seiner rotatorischen Masse dreht sich der Rotor 120 jedoch weiter gegenüber dem Stator 115, sodass ein Phasenwinkel, der zwischen dem Drehwinkel des Rotors 120 und dem Drehwinkel des Stromverlaufs durch die Wicklung 125 besteht, anwächst.
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In einem Schritt 230 wird geprüft, ob der bestehende Phasenwinkel einen vorbestimmten Phasenwinkel erreicht hat. In einer Ausführungsform wird der Phasenwinkel hierfür bestimmt und mit einem beispielsweise numerisch hinterlegten Schwellenwert verglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der vorbestimmte Phasenwinkel bei -120°. Das Erreichen dieses Phasenwinkels wird bevorzugt daran abgelesen, dass die induzierte Spannung an der Wicklung 125 einen Wendepunkt aufweist. In einer weniger bevorzugten Ausführungsform kann auch bestimmt werden, dass der vorbestimmte Phasenwinkel erreicht ist, wenn die induzierte Spannung null beträgt. Beim Phasenwinkel von ca. -120° kann ein maximales Moment zwischen dem Stator 115 und dem Rotor 120 bewirkt werden, sodass die Bremswirkung auf den Stator 115 maximal sein kann.
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Wird in Schritt 230 bestimmt, dass der Phasenwinkel den vorbestimmten Phasenwinkel noch nicht erreicht hat, so kann das Verfahren 200 zum Schritt 220 zurückkehren und erneut durchlaufen.
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Andernfalls, wenn der vorbestimmte Phasenwinkel erreicht ist, kann in Schritt 235 eine Steuerung des zyklischen Stromverlaufs durch die Wicklung 125 erfolgen, wie oben mit Bezug auf Schritt 205 beschrieben ist. Dabei wird die Frequenz des Stromverlaufs an die Frequenz des Rotors 120 gegenüber dem Stator 115 angepasst, sodass der Phasenwinkel möglichst gleich bleibt. Das Verfahren 200 kann in einem Schritt 240 enden, wenn die Drehfeldmaschine 105 zum Stillstand gekommen ist. In einer anderen Ausführungsform wird der Schritt 235 spätestens dann beendet, wenn die Drehzahl der Drehfeldmaschine 105 unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. In diesem Fall, oder falls im Schritt 220 bereits früher eine niedrige Drehzahl festgestellt wurde, können andere Maßnahmen ergriffen werden, um die langsam laufende Drehfeldmaschine 105 weiter zu verlangsamen oder anzuhalten. Beispielsweise kann in einem Schritt 245 ein aktiver Kurzschluss herbeigeführt werden. Dabei werden die Wicklungen 125 zueinander parallel geschaltet, beispielsweise indem alle zum hohen Potential führenden Stromventile 135 der Brückenschaltungen 130 geschlossen und die anderen geöffnet werden oder umgekehrt. In einer anderen Ausführungsform kann in einem Schritt 250 die Frequenz des zyklischen Stromverlaufs (vgl. Schritte 205, 235) verringert werden, insbesondere auf null. Das Verfahren 200 endet, wenn die Drehfeldmaschine 105 eine vorbestimmte Drehzahl unterschritten oder im Schritt 240 den Stillstand erreicht hat.
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3 zeigt beispielhafte Verläufe von Strömen und Spannungen an einer Drehfeldmaschine 105, beispielsweise der von 1, insbesondere bei Durchführen des Verfahrens 200 von 2. In einer horizontalen Richtung ist eine Zeit angetragen. In vier Verläufen sind von oben nach unten in einer vertikalen Richtung Wicklungsströme I, ein Drehwinkelα, ein Phasenwinkel φ und eine Drehzahl N dargestellt. Die Wicklungen 125 der Drehfeldmaschine 105 in 1 sind in beispielhafter Weise als U, V und W gekennzeichnet. Korrespondierende Wicklungsströme in 3 sind als IU, IV und IW dargestellt. Der Drehwinkel α beschreibt eine Drehung des Rotors 120 gegenüber dem Stator 115. Der Phasenwinkel φ beschreibt die Differenz zwischen dem Drehwinkel α des Rotors 120 und dem Drehwinkel eines der Phasenströme IU, IV und IW. Die Drehzahl N entspricht einer Drehfrequenz des Rotors 120.
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In einer ersten Phase 305 werden die Wicklungsströme IU, IV und IW mit vorbestimmter Frequenz zyklisch verstellt, wie oben insbesondere mit Bezug auf den Schritt 205 des Verfahrens 200 beschrieben ist.
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Am Ende der ersten Phase 305 trifft eine Anforderung zum Abbremsen oder Anhalten der Drehfeldmaschine 105 ein. Mit Beginn der zweiten Phase 310 werden in der dargestellten Ausführungsform aktuelle Werte der Wicklungsströme IU, IV und IW beibehalten. Der Rotor 120 dreht sich jedoch aufgrund seiner Massenträgheit weiter, sodass der Phasenwinkel φ ansteigt.
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Hat der Phasenwinkel φ einen vorbestimmten Wert erreicht, so werden in der dargestellten Ausführungsform in einer dritten Phase 315 die Wicklungsströme IU, IV und IW so gesteuert, dass der Phasenwinkel φ konstant bleibt. Dadurch kann ein Bremsmoment auf den Rotor 120 ausgeübt werden, der ein rasches Absinken der Drehzahl N bewirken kann. Die dritte Phase 315 kann enden, wenn eine vorbestimmte Drehzahl N erreicht ist.
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Es ist zu beachten, dass die Zusammenhänge in 3 rein figurativ sind und insbesondere quantitative Zusammenhänge zwischen den dargestellten Größen rein beispielhaft gewählt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System
- 105
- Drehfeldmaschine
- 110
- Steuervorrichtung
- 115
- Stator
- 120
- Rotor
- 125
- Wicklung
- 130
- Brückenschaltung
- 135
- Stromventil
- 140
- Zwischenkreis
- 145
- Zwischenkreiskondensator
- 150
- Wechselrichter
- 155
- Pulsweitenmodulator
- 160
- Verarbeitungseinrichtung
- 165
- Stromsensor
- 170
- Spannungssensor
- 175
- Schnittstelle
- 200
- Verfahren
- 205
- Steuern zyklischer Stromverlauf
- 210
- Abtasten induzierte Spannung
- 215
- Anforderung Schnellstopp
- 220
- Drehzahl > Schwellenwert?
- 225
- Einfrieren Wicklungsströme
- 230
- Phasenwinkel = vorbestimmter Phasenwinkel?
- 235
- Steuern zyklischer Stromverlauf
- 240
- Stillstand
- 245
- aktiver Kurzschluss
- 250
- Einfrieren Wicklungsstrom
- 305
- erste Phase
- 310
- zweite Phase
- 315
- dritte Phase
