DE102019208511A1

DE102019208511A1 - Motordrehrichtungserkennung bei einphasigen Umrichtern

Info

Publication number: DE102019208511A1
Application number: DE102019208511.3A
Authority: DE
Inventors: Marco Bohlländer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-17
Also published as: WO2020249557A1; US11901854B2; US20220239240A1

Abstract

Die Erfindung gibt eine Anordnung zur Drehrichtungserkennung eines mehrphasigen Elektromotors (1), aufweisend:- mehrere einphasige Umrichter (3), die je eine Phase des Elektromotors (1) mit Strom (1.1, 1.2, 1.3) versorgen,- zwei Sensoreinheiten (2), die ausgebildet sind, die Istwerte (I1, I2, I3) der Phasenströme des Elektromotors (1) zu ermitteln und an die Umrichter (3) zu übertragen, und- eine Kontroll- und Steuereinheit (3.2) in jedem Umrichter (3), die ausgebildet und programmiert ist, aus den Istwerten (I1, I2, I3) die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors (1) zu ermitteln.Ein Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung wird ebenfalls angegeben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mehreren einphasigen Umrichtern und Drehrichtungserkennung eines mehrphasigen Elektromotors. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung.
Hintergrund der Erfindung
Ein gattungsgemäßer Umrichter besteht aus einer Leistungsendstufe (= Halbleiter, Zwischenkreiskondensator, Treiberschaltung sowie Stromschienen und Kühlung), einer die Leistungsendstufe ansteuernden Kontrolleinheit (µC, wandelt den Sollwert in Takte um), mehrere Sensoren (insbesondere zur Messung von Strom, Spannung, Temperatur), die den Zustand des Umrichters und des Elektromotors messen und der Kontrolleinheit zur Verfügung stellen, sowie eine Spannungsversorgung und ggf. einer Überwachungseinheiten zu Schutzzwecken. Der Umrichter regelt einen Wechselstrom, der die Wicklungen des mehrphasigen, üblicherweise dreiphasigen, Elektromotors durchfließt, damit dort ein Drehmoment erzeugt wird.
Die Strommessung der Phasen, sowie die Spannungsmessung am Zwischenkreis sind dabei die wichtigsten sensorbasierten Messgrößen, damit die Kontrolleinheit aus den Sollwerten die Takte derart berechnen kann, so dass der Elektromotor mit einem gewünschten Drehmoment in eine gewünschte Richtung eine gewünschte Drehzahl einnimmt.
Insbesondere die Drehzahl und die Rotorposition werden bei e-Autos bekannterweise mittels einem am Elektromotor befestigten Sensoreinheit, üblicherweise ein Resolver, ermittelt. Bei Anwendungen in der Luftfahrt wird dies durch sensorlose Regelung mittels DC-Spannungs- und AC-Strommessung realisiert.
Bei letzterem ist es prinzipbedingt wichtig, alle drei Phasenströme zu kennen.
Das zu lösende Problem ergibt sich aus dem architekturellen Ansatz, die Forderung nach Nichtausfall im Einfachfehlerfall, mittels eines Multilaneansatzes zu lösen. Multilane bedeutet, dass es keinen oder mehr als einen Sternpunkt gibt, die voneinander getrennt sind. Dies steht dem bekannten Ansatz gegenüber, dass eine dreiphasige Maschine einen Sternpunkt hat. Vorteil einer solchen Multilane-Topologie ist, dass der Ausfall eines Wicklungssystems - egal ob im Motor oder in dem das jeweilige Wicklungssystem speisenden Umrichter - keinen Ausfall der Antriebsleistung bedeutet, sondern maximal eine Reduktion der Maximalleistung. Mit anderen Worten, ein Einfachfehler führt nicht zum Totalausfall der Antriebsfunktion.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, mit der mehrphasige Elektromotoren, insbesondere bei Anwendungen in der Luftfahrt, zuverlässig mit elektrischer Energie versorgt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel des Multilane-Lösungsansatzes, auf das in dieser Anmeldung Bezug genommen wird, ist ein dreiphasiger Elektromotor, mit drei galvanisch getrennten, einphasigen Wicklungssystemen. Die Realisierung des Wicklungssystems in dem Elektromotor ist von untergeordneter Bedeutung für die Erfindung. Besondere Anforderung ist die Unabhängigkeit der drei speisenden Umrichter. Egal welcher Einfachfehler in dem Umrichter angenommen wird, er darf nicht zum Ausfall von mehr als einem Umrichter führen.
Die Anforderung hat zur Folge, dass die einphasigen Umrichter voneinander unabhängig agieren müssen. Das Problem, das sich dabei ergibt und Gegenstand der Erfindung ist, ist die Tatsache, dass für ein geregeltes Drehfeld im Falle eines Permanentmagnet-Synchronmotors die Rotorposition und dessen Drehrichtung bekannt sein müssen, dies jedoch unter Annahme eines Verzichts auf jedwede direkte Lage- und Rotationsmessung (z.B. mittels Resolver), nicht bestimmt werden kann. Denn dazu sind mindestens zwei Phasenstromsensoren, besser drei notwendig. Denn der einphasige Umrichter „kennt“ nur sich selbst und seine eigene Phase.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Ein erster Aspekt der Erfindung besteht darin, die Architektur eines gattungsgemäßen dreiphasigen Umrichters bei der Reduktion zu einphasigen Umrichtern aufzubrechen. Die Sensorik der Lastzustandsidentifikation wird nicht mehr dem Umrichter der jeweiligen Phase zugeordnet. Es wird vielmehr eine Sensoreinheit selektiv zu dem Elektromotor und den Umrichtern realisiert, wobei die Sensoreinheit in mehrfacher Ausführung realisiert ist (auch hier gilt: kein Einfachfehler darf zu Verlust der Antriebsleistung führen) und insbesondere die Motorströme (ggf. auch Spannungen) aller Phasen misst, und allen Umrichtern zur Verfügung stellt.
Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechselspannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Ausgangswechselspannung erzeugt wird.
Die Erfindung beansprucht eine Anordnung zur Drehrichtungserkennung eines mehrphasigen Elektromotors, aufweisend:

- mehrere einphasige Umrichter, die je eine Phase des Elektromotors mit Strom versorgen,
- zwei Sensoreinheiten, die ausgebildet sind, die Istwerte der Phasenströme des Elektromotors zu ermitteln und an die Umrichter zu übertragen, und
- eine Kontroll- und Steuereinheit in jedem Umrichter, die ausgebildet und programmiert ist, aus den Istwerten die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors zu ermitteln.

Die Erfindung bietet den Vorteil einer hohen Toleranz gegenüber Teilausfällen einer elektrischen Antriebsanordnung.
In einer Weiterbildung können der Elektromotor dreiphasig ausgebildet und die Anzahl der Umrichter drei sein.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die beiden Sensoreinheiten aus verschiedenen Batterien versorgt. Vorzugsweise sind die Batterien selektive HV -Batterien und die Sensoreinheiten werden mit selbstanlaufenden Netzteilen bestückt. Die Sensoreinheiten laufen an, sobald eine Mindestspannung überschritten ist, und stellen dann dauerhaft Messwerte zur Verfügung. Damit sind die einzelnen Sensoreinheiten autark.
In einer Weiterbildung kann die Anordnung daher zwei Gleichspannungsquellen aufweisen, die die Umrichter mit elektrischer Energie versorgen.
In einer weiteren Ausprägung kann jede Sensoreinheit jeweils von einer der zwei Gleichspannungsquellen mit elektrischer Energie versorgt werden.
In einer Weiterbildung kann die Gleichspannungsquelle bevorzugt eine Batterie, insbesondere eine HV-Batterie, sein.
In einer Weiterbildung kann ein selbstanlaufendes Netzteil in der Sensoreinheit ausgebildet sein, das die Sensoreinheit mit Spannung versorgt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Kopplung der Sensoreinheiten zu den Umrichtern entweder mit selektiven galvanischen Trennelementen (z.B. in Coreless-Transformer Technologie) oder mit Hilfe von Lichtwellenleitern vorgenommen.
In einer Weiterbildung kann daher die Anordnung ein selektives galvanisches Trennelementen oder einen Lichtwellenleiter zur Datenverbindung der Sensoreinheit mit den Umrichtern aufweisen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Sensorwerte der Sensoreinheiten als digitaler Datenstrom, vorzugsweise als Delta-Sigma-Werte, zur Verfügung stehen.
Jeder Umrichter ist somit mit allen Phasenstromistwerten versorgt und kann eigenständig die Rotorlage und die Drehgeschwindigkeit berechnen. Falls ein Umrichter ausfällt, „sehen“ dies die anderen Umrichter und können bei Bedarf selektiv reagieren. Fällt eine Sensoreinheit aus, werden die Umrichter von der anderen Sensoreinheit weiter mit Istwerten der Phasenströme versorgt. Fällt eine Gleichstromquelle aus, fällt nur jene Sensoreinheit aus, die mit der entsprechenden Gleichspannungsquelle versorgt wird.
In einem letzten Aspekt der Erfindung kann die Anordnung in einem Fahrzeug angeordnet sein.
Unter Fahrzeug wird jede Art von Fortbewegungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden. Ein Luftfahrzeug ist ein fliegendes Fahrzeug.
Die Erfindung beansprucht daher ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Anordnung für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.
In einer Weiterbildung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein und einen den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller aufweisen.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen von Ausführungsbeispielen anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einem dreiphasigen Umrichter gemäß Stand der Technik,
2 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung mit drei einphasigen Umrichtern,
3 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit drei einphasigen Umrichtern und
4 ein Flugzeug mit einer Anordnung mit drei einphasigen Umrichtern.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild einer gattungsgemäßen Anordnung mit einem dreiphasigen Umrichter 7 und einem dreiphasigen Elektromotor 1. Der Umrichter 7 wird von einer Gleichspannungsquelle 4, beispielweise von einer 800 V Batterie, mit elektrischer Energie versorgt. Der Umrichter 7 weist ein Netzteil 7.4, eine Steuer- und Kontrolleinheit 7.2, eine Endstufe 7.3 mit den schaltbaren Leistungshalbleitern und eine Sensoreinheit 2 zur Bestimmung der Stromistwerte I1, I2, I3 des Elektromotors 1 auf.
Der Motorstromsollwert 7.1 wird der Steuer- und Kontrolleinheit 7.2 zugeführt. Der dreiphasige Umrichter 7 versorgt den Elektromotor 1 mit dem Strom 1.1 der ersten Phase, dem Strom 1.2 der zweiten Phase und dem Strom 1 der dritten Phase.
2 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung mit drei einphasigen Umrichtern 3 gemäß der Erfindung. Die Umrichter 3 speisen einen dreiphasigen Elektromotor 1 mit elektrischer Energie. Die elektrische Energie für die Umrichter 3 wird von einer oder mehreren Gleichspannungsquellen 4, bevorzugt eine Hochvolt Batterie, bereitgestellt. Die Istwerte der Motorströme I1, I2, I3 werden redundant mit den beiden Sensoreinheiten 2 ermittelt und zur Regelung an die Umrichter 3 weitergegeben.
3 zeigt ein gegenüber 2 detaillierteres Blockschaltbild einer Anordnung mit drei einphasigen Umrichtern 3. Als Vorgabe erhalten die Umrichter 3 den Motorsollwert 3.1, wie Drehzahl und Drehmoment. Jeder der drei Umrichter 3 versorgt eine Phase des Elektromotors 1 mit den Strömen 1.1, 1.2 und 1.3, entsprechend. Mit Hilfe der beiden Sensoreinheiten 2 wird der Istwert des Stroms der ersten Phase I1, des Stroms der zweiten Phase I2 und des Stroms der dritten Phase I3 ermittelt.
Die Istwerte der Ströme I1, I2, I3 werden an die Steuer- und Kontrolleinheiten 3.2 der Umrichter 3 weitergeleitet. Die Steuer- und Kontrolleinheiten 3.2 ermitteln aus der Frequenz und der Phasenlage von mindestens zwei der drei Istwerte I1, I2 und I3 die Drehrichtung und der Lagewinkel des Rotors des Elektromotors 1. Die galvanisch getrennte Verbindung zwischen den Sensoreinheiten 2 und den Umrichtern 3 wird mittels Lichtwellenleiter 2.2 sichergestellt.
Zum sicheren Betrieb der Sensoreinheiten 2 werden diese aus nicht dargestellten unterschiedlichen Gleichspannungsquellen versorgt und die Sensoreinheiten 2 haben ein selbstanlaufendes Netzteil 2.1, das in Betrieb geht, sobald eine Mindestspannung überschritten ist.
4 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luftfahrzeug 5, insbesondere ein Flugzeug, mit drei einphasigen Umrichtern 3 gemäß einer Anordnung nach 3, die den Elektromotor 1 mit elektrischer Energie versorgt. Der Elektromotor 1 treibt einen Propeller 6 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeugungseinheit. Der Umrichter kann natürlich auch andere elektrische Bauteile versorgen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Elektromotor
1.1: Strom der ersten Phase
1.2: Strom der zweiten Phase
1.2: Strom der dritten Phase
2: Sensoreinheit
2.1: selbstanlaufendes Netzteil
2.2: Lichtwellenleiter
3: einphasiger Umrichter
3.1: Motorstromsollwert
3.2: Steuer- und Kontrolleinheit
4: Gleichspannungsquelle, z.B. Batterie
5: Luftfahrzeug
6: Propeller
7: dreiphasiger Umrichter
7.1: Motorsollwert
7.2: Steuer- und Kontrolleinheit
7.3: Endstufe
7.4: Netzteil (= elektrische Versorgung)
I1: Stromistwert erste Phase
I2: Stromistwert zweite Phase
I3: Stromistwert dritte Phase

Claims

Anordnung zur Drehrichtungserkennung eines mehrphasigen Elektromotors (1), gekennzeichnet durch: - mehrere einphasige Umrichter (3), die je eine Phase des Elektromotors (1) mit Strom (1.1, 1.2, 1.3) versorgen, - zwei Sensoreinheiten (2), die ausgebildet sind, die Istwerte (I1, I2, I3) der Phasenströme des Elektromotors (1) zu ermitteln und an die Umrichter (3) zu übertragen, und - eine Kontroll- und Steuereinheit (3.2) in jedem Umrichter (3), die ausgebildet und programmiert ist, aus den Istwerten (I1, I2, I3) die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors (1) zu ermitteln.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) dreiphasig ausgebildet und die Anzahl der Umrichter (3) drei ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: - mindestens zwei Gleichspannungsquellen (4), die die Umrichter (3) mit elektrischer Energie versorgen.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sensoreinheit (2) von einer der zwei Gleichspannungsquellen (4) mit elektrischer Energie versorgt wird.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (4) eine Batterie ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - ein selbstanlaufendes Netzteil (2.1) der Sensoreinheit (2), das ausgebildet ist, die Sensoreinheit (2) mit Spannung zu versorgen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - ein selektives galvanisches Trennelementen oder ein Lichtwellenleiter (2.2) zur Datenverbindung der Sensoreinheit (2) mit den Umrichtern (3).
Fahrzeug mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.
Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Luftfahrzeug (5) ist.
Fahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug (5) ein Flugzeug ist.
Fahrzeug (5) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch: - einen durch den Elektromotor (1) in Rotation versetzbaren Propeller (6).