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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System zum Schutz gegen
einen Überhitzungszustand
in einer elektrischen Vorrichtung und insbesondere auf ein System
zur Vorhersage der Temperatur von Wicklungen in einem Elektromotor,
der mit einer Arbeitsmaschine assoziiert ist, und auf die Steuerung
des Betriebs des Elektromotors basierend auf der vorhergesagten
Temperatur.
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Hintergrund
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Arbeitsmaschinen,
wie beispielsweise Radlader, Raupentraktoren und andere Arten von
Maschinen, werden für
eine Vielzahl von Aufgaben verwendet. Diese Arbeitsmaschinen können eine
Leistungsquelle aufweisen, wie beispielsweise einen Dieselmotor,
einen Benzinmotor, einen Erdgasmotor oder irgendeine andere Art
einer Leistungsquelle, die die erforderliche Leistung zur Vollendung
dieser Aufgaben liefert. Bei gewissen Antriebssystemen kann die
Antriebs- bzw. Leistungsquelle mit einem Generator gekoppelt sein,
um eine elektrische Leistungsausgabe zu erzeugen, die zu einem oder
mehreren Elektromotoren geliefert wird. Die Motoren können mit
mit dem Boden in Eingriff stehenden Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen
verbunden sein, um die Arbeitsmaschine voranzutreiben.
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Die
Elektromotoren, die mit den Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen
gekoppelt sind, können beispielsweise
Wechselstrominduktionsmotoren aufweisen. Während diese Arten von Motoren
für kurze Perioden
auf Spitzendrehmomentniveaus arbeiten können, die größer als
ihre kontinuierliche Nennleistung sind, können die hohen Ströme, die
mit diesen Spitzendrehmomentniveaus assoziiert sind, zu einer Beschädigung von
verschiedenen Elektromotorkomponenten führen. Beispielsweise kann ein
anhaltender Zustand mit hohem Strom (d.h. ein Überlastungszustand) erhöhte Temperaturen
in den leitenden Wicklungen des Motorstators zur Folge haben. Diese erhöhten Temperaturen
können
die Isolation der Wicklungen beschädigen, was zu einem letztendlichen
oder sofortigen Versagen zwischen den Leitern führen kann.
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Die
Elektromotoren können
vor einem potentiellen Schaden dadurch geschützt werden, dass sie sicherstellen,
dass die Temperatur der leitenden Wicklungen des Stators nicht ein
erwünschtes
Niveau überschreitet.
Die Überwachung
dieser Temperatur kann jedoch eine Herausforderung sein. Insbesondere
können
Temperaturabfühlvorrichtungen, auch
wenn sie direkt benachbart zu den Wicklungen angeordnet sind, ungenaue
Messungen der Wicklungstemperatur liefern. Aufgrund der großen Masse an
Metall, die verwendet werden kann, um den Motorstator zu bilden,
insbesondere bei Schwerlastmotoren für Antriebsanwendungen mit hoher
Leistung, können
die Motoren große
thermische Zeitkonstanten haben. Ansprechend auf hohe Ströme in den
Statorleitungen, kann somit die Temperatur der Leiter beträchtlich
eine festgelegte Nenngröße überschreiten,
bevor die umgebenden Bereiche, einschließlich der Temperatursensoren,
sogar nur eine moderate Temperaturveränderung zeigen. Um einen Elektromotor
vor einem Schaden zu schützen,
der von Überlastzuständen verursacht
wurde, kann somit ein System zur genauen Temperatur der Statorwicklungen eines
Elektromotors erforderlich sein.
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Mindestens
ein System ist zum Schutz gegen eine Überlastung in einem Elektromotor
entwickelt worden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 5,510,687
(„das '687-Patent"), welches an Unsworth
u.a. am 23. April 1996 ausgegeben wurde, ein System zum Detektieren
eines Überlastungszustandes
in einem Elektromotor durch Abschätzen der Temperatur des Motors.
Insbesondere leitet das System des '687-Patentes eine Gleichstromspannungskomponente
in eine Statorwicklung des Elektromotors ein. Das System weist eine
Schaltung auf, um den Gleichstromspannungsabfall an der Wicklung
zu bestimmen. Das System weist auch eine Hall-Effekt-Vorrichtung
auf, um den Strom in der Wicklung abzufühlen, der der Gleichstromspannung
zuzuordnen ist. Basierend auf den abgefühlten Spannungs- und Stromwerten
kann der Widerstand der Wicklung unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes
berechnet werden. Die Temperatur der Wicklung kann durch Vergleich
des berechneten Widerstandswertes mit einem kalibrierten Widerstandswert
vorhergesagt werden, der für
eine bekannte Temperatur bestimmt wurde. Wenn die vorhergesagte
Temperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird der Elektromotor
ausgeschaltet.
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Während das
System des '687-Patentes
effektiv sein kann, um Überlastbedingungen
in gewissen Situationen zu vermeiden, weist das System des '687-Patentes verschiedene
Nachteile auf. Beispielsweise weist das System eine komplexe Schaltung auf,
um die Gleichstromspannung und die Stromsignale in der Motorwicklung
zu messen. Diese Schaltung kann zusätzliche Kosten für den Motor
bringen und kann nachteilig seine Zuverlässigkeit beeinflussen. Weiterhin
muss das System aktiv die Effekte auf den Motorbetrieb kompensieren,
die durch die eingeleitete Gleichstromspannungskomponente verursacht
werden. Weil jeder Motor einzigartige Widerstandscharakteristiken
zeigen kann, kann jeder Motor eine Kalibrierung vor dem Betrieb
erfordern, um einen grundlegenden Widerstandswert bei einer bekannten
Temperatur zu bestimmen. Dies kann zusätzliche Kosten bei der Herstellung
zur Folge haben. Auf die Detektion eines Überlastungszustandes hin schaltet
das System des '687-Patentes
auch vollständig
den Motor ab, anstatt zu gestatten, dass der Motor weiter mit einem
verringerten Ausgabeniveau arbeitet.
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Die
vorliegende Offenbarung stellte eine Verbesserung gegenüber den
Systemen des Standes der Technik für einen Schutz gegen einen Überlastungszustand
in einem Elektromotor dar.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
offenbartes Ausführungsbeispiel
weist ein Schutzsystem für
eine elektrische Vorrichtung auf. Das System kann mindestens ein
temperaturempfindliches Element aufweisen, welches in einer Region
benachbart zu einer Komponente der elektrischen Vorrichtung gelegen
ist und konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu liefern, die mit einer
tatsächlichen
Temperatur in der Region in Beziehung steht. Das System kann auch
eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um die tatsächliche
Temperatur in der Region basierend auf der Ausgangs größe des mindestens
einen temperaturempfindlichen Elementes zu bestimmen, um eine vorhergesagte
Temperatur der Komponente basierend auf der tatsächlichen Temperatur in der
Region und auf einer vorherbestimmten Wärmeableitungscharakteristik der
elektrischen Vorrichtung zu bestimmen.
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Ein
weiteres offenbartes Ausführungsbeispiel
weist ein Verfahren zum Schutz gegenüber einem Überlastungszustand eines Elektromotors
auf. Das Verfahren kann aufweisen, eine tatsächliche Temperatur einer Region
benachbart zu einer Komponente des Elektromotors zu bestimmen und
eine vorhergesagte Temperatur der Komponente basierend auf der tatsächlichen
Temperatur und mindestens einer Wärmeableitungscharakteristik
des Elektromotors zu berechnen. Das Verfahren kann auch aufweisen,
mindestens einen Betriebsparameter des Elektromotors einzustellen,
wenn die vorhergesagte Temperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet.
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Ein
weiteres offenbartes Ausführungsbeispiel
weist eine Arbeitsmaschine auf, die eine Leistungsquelle aufweisen
kann, die konfiguriert ist, um eine Leistungsausgabe zu liefern,
und einen Generator, der betriebsmäßig mit der Leistungsquelle
gekoppelt ist, um zumindest einen Teil der Leistungsausgabe in elektrische
Energie umzuwandeln. Die Maschine kann mindestens einen Elektromotor
aufweisen, der betriebsmäßig mit
dem Generator gekoppelt ist und konfiguriert ist, um zumindest einen
Teil der elektrischen Energie aufzunehmen, mindestens eine Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung,
die betriebsmäßig mit
dem mindestens einen Motor gekoppelt ist, und ein Schutzsystem für den mindestens
einen Elektromotor. Das Schutzsystem kann mindestens ein temperaturempfindliches
Element aufweisen, welches in einer Region benachbart zu einer Komponente
des Elektromotors gelegen ist und konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu liefern,
die mit einer tatsächlichen
Temperatur in der Region in Beziehung steht. Eine Steuervorrichtung
kann konfiguriert sein, um die tatsächliche Temperatur in der Region
basierend auf der Ausgangsgröße des mindestens
einen temperaturempfindlichen Elementes zu bestimmen und eine vorhergesagte
Temperatur der Komponente basierend auf der Temperatur in der Region
und auf einer vorbestimmten Wärmeableitungscharakteristik des
Elektromotors zu bestimmen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 sieht
eine schematische Perspektivansicht einer Arbeitsmaschine gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel
vor.
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2 sieht
eine schematische Blockdiagrammdarstellung von Komponenten einer
Arbeitsmaschine 10 gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel
vor.
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3 sieht
eine diagrammartige Veranschaulichung eines Elektromotorschutzsystems
gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel
vor.
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4 sieht
ein Informationsflussdiagramm für
ein Elektromotorschutzsystem gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel
vor.
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Detaillierte
Beschreibung
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1 sieht
eine diagrammartige Perspektivansicht einer Arbeitsmaschine 10 gemäß einem
beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel
vor. Während
die Arbeitsmaschine 10 als ein Raupentraktor veranschaulicht
ist, kann die Arbeitsmaschine 10 irgendeine Art einer Arbeitsmaschine
aufweisen, die einen oder mehrere Elektromotoren aufweist. Beispielsweise
kann die Arbeitsmaschine 10 Straßenfahrzeuge, Geländefahrzeuge,
Radlader, Bagger, differentiell gelenkte Maschinen und andere Arten
von Maschinen aufweisen.
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Die
Arbeitsmaschine 10 kann eine Leistungsquelle 12 aufweisen,
die konfiguriert ist, um eine Leistungsausgabe zum Antrieb von verschiedenen
Betriebsvorgängen
der Arbeitsmaschine 10 vorzusehen. Die Leistungsquelle 12 kann
einen Verbrennungsmotor aufweisen, der unter Verwendung von Dieselbrennstoff,
Benzin, Erdgas oder anderen Arten von Brennstoffen arbeitet.
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Die
Leistungsquelle 12 kann betriebsmäßig mit einem Generator 14 gekoppelt
sein, wie in 2 gezeigt. Der Generator 14 kann
irgendeine Art einer Vorrichtung aufweisen, die konfiguriert sein
kann, um zumindest einen Teil der Leistungsaus gabe, die von der
Leistungsquelle 12 geliefert wird, in elektrische Energie
umzuwandeln. Ansprechend auf die mechanische Leistungsausgabe aus
der Leistungsquelle 12 kann beispielsweise der Generator 14 elektrische Energie
erzeugen, die gespeichert werden kann oder verwendet werden kann,
um eine oder mehrere elektrisch angetriebene Komponenten zu betreiben.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann der Generator 14 betriebsmäßig mit einem Elektromotor 16 gekoppelt
sein, und elektrische Energie, die vom Generator 14 erzeugt
wird, kann verwendet werden, um den Elektromotor 16 anzutreiben.
Der Generator 14 kann beispielsweise konfiguriert sein,
um eine dreiphasige Ausgabe mit einem erwünschten Spannungspegel zu liefern
(beispielsweise mit 480V oder irgendeinem anderen geeigneten Pegel),
und um diese Ausgangsgröße an einen
Generatorleistungswandler 17 zu liefern. Der Generatorleistungswandler 17 kann
die dreiphasige Spannung in eine Gleichstromspannung mit einem anderen
erwünschten
Pegel umwandeln (beispielsweise auf 615V oder irgendeinen anderen
geeigneten Pegel). Ein Motorleistungswandler 18 kann konfiguriert
sein, um die Spannung aufzunehmen, die vom Generatorleistungswandler 17 geliefert
wird und den Elektromotor 16 mit einer variablen dreiphasigen
Wechselstromspannung zu beliefern, die verwendet werden kann, um
den Elektromotor 16 anzutreiben.
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Während nur
ein Elektromotor 16 in 2 veranschaulicht
ist, kann die Arbeitsmaschine 10 eine Vielzahl von Elektromotoren
aufweisen, die von dem Generator 14 mit Leistung versorgt
werden. Weiterhin kann der Elektromotor 16 ein Wechselstrominduktionsmotor
sein, der für
Antriebsanwendungen konfiguriert ist. Der Elektromotor 16 kann
jedoch als ein Elektromotor von irgendeiner Bauart und Größe/Kapazität konfiguriert
sein, um die Anforderungen einer speziellen Anwendung zu erfüllen.
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Die
Arbeitsmaschine 10 kann auch eine Traktionsvorrichtung 20 aufweisen,
die betriebsmäßig mit
dem Elektromotor 16 gekoppelt ist. Die Traktions- bzw.
Antriebsvorrichtung 20 kann eine Raupenvorrichtung sein,
wie in den 1 und 2 veranschaulicht.
Alternativ kann die Traktionsvorrichtung 20 Räder oder
irgendeine andere Art von mit dem Boden in Eingriff stehenden Vorrichtungen
aufweisen.
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Die
Traktionsvorrichtung 20 kann betriebsmäßig mit dem Elektromotor 16 durch
eine oder mehrere Vorrichtungen gekoppelt sein. Beispielsweise können verschiedene
(nicht gezeigte) Leistungsübertragungsvorrichtungen
und (nicht gezeigte) Differentiallenkungseinheiten zwischen dem
Elektromotor 16 und der Traktionsvorrichtung 20 vorgesehen
sein, um Leistung vom Elektromotor 16 zur Traktionsvorrichtung 20 zu übertragen.
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Die
Arbeitsmaschine 10 kann ein Elektromotorschutzsystem 26 aufweisen,
welches mit dem Elektromotor 16 assoziiert ist. Das Schutzsystem 26 kann
konfiguriert sein, um das Risiko eines Schadens an dem Elektromotor 16 zu
minimieren oder zu verhindern, und kann ein oder mehrere temperaturempfindliche
Elemente 28 aufweisen. Das Schutzsystem 26 kann
auch eine Steuervorrichtung 30 aufweisen, die betriebsmäßig mit
dem Elektromotor 16 und mit dem einen oder mit der Vielzahl
von temperaturempfindlichen Elementen 28 gekoppelt ist.
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3 sieht
eine diagrammartige Veranschaulichung eines Elektromotorschutzsystems 26 und
eines Elektromotors 16 vor. Als eine Anzeigevorrichtung
kann der Elektromotor 16 zwei Hauptkomponenten aufweisen:
einen Stator 32 und einen Rotor 34, die voneinander
durch einen Luftspalt 35 getrennt sind. Der Rotor 34 kann
aus einer Anzahl von leitenden Stangen bzw. Schienen 36 in
elektrischem Kontakt miteinander und parallel zu einer Welle 38 des Elektromotors 16 verlaufend
aufgebaut sein. Der Stator 32 kann ein Muster von Statorleitern 40 aufweisen,
die in den Wicklungen angeordnet sind. Wenn Wechselstrom durch die
Statorleiter 40 geleitet wird, wird ein sich bewegendes
Magnetfeld nahe dem Stator 32 ausgebildet. Dieses Magnetfeld
erzeugt elektrische Ströme
in den Elementen des Rotors 34, was bewirkt, dass der Rotor 34 selbst
ein Magnetfeld erzeugt. Die Gegenwirkung dieser Magnetfelder kann ein
Drehmoment an dem Rotor 34 erzeugen, und daher an der Welle 38,
die mit dem Rotor 34 gekoppelt sein kann.
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Um
die hohen Drehmomentniveaus zu erzeugen, die für Traktions- bzw. Antriebsanwendungen
benötigt
werden, können
große
Motorströme durch
die Statorleitungen 40 geleitet werden. Falls diese nicht überwacht
werden, können
diese Motorströme
schnell ausreichende Wärmeniveaus
erzeugen, um die (nicht gezeigte) Statorisolation zu beschädigen, die
mit den Statorleitern 40 assoziiert ist. Ein solcher Zustand
kann einem Überlastungszustand
des Elektromotors 16 entsprechen und kann zu einem letztendlichen
oder sofortigen Versagen des Elektromotors 16 führen.
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Die
Steuervorrichtung 30 und die temperaturempfindlichen Elemente 28 können konfiguriert
sein, um gegen Überlastungszustände in dem
Elektromotor 16 zu schützen.
Wie in 3 gezeigt, kann das Elektromotorschutzsystem 26 eine
Vielzahl von temperaturempfindlichen Elementen 28 aufweisen.
Während
das beispielhafte veranschaulichte Ausführungsbeispiel in 3 eine
Anordnung von drei temperaturempfindlichen Elementen 28 aufweist,
kann das Schutzsystem 26 irgendeine Anzahl von temperaturempfindlichen
Elementen von mehr oder weniger als drei an der Zahl aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel
kann das Schutzsystem 26 unter Verwendung von nur einem
temperaturempfindlichen Element 28 arbeiten.
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Die
temperaturempfindlichen Elemente 28 können in dem Elektromotor 16 in
Regionen benachbart zu einem oder mehreren der Statorleiter 40 angeordnet
sein. Für
die Zwecke der vorliegenden Offenbarung weist eine Region benachbart
zum Statorleiter 40 irgendeine Stelle in Kontakt mit dem
Statorleiter 40 oder gegenüber diesem versetzt auf, wo
das temperaturempfindliche Element 28 zumindest ein gewisses
Ansprechen auf Wärme
liefern wird, die von dem Statorleiter 40 erzeugt wird.
Weiter können die
temperaturempfindlichen Elemente 28. irgendwelche Arten
von Vorrichtungen aufweisen, die eine Ausgabe liefern können, die
in Beziehung mit der Temperatur einer Umgebung stehen, in der sie
gelegen sind. In einem Ausführungsbeispiel
können
ein oder mehrere temperaturempfindliche Elemente 28 eine
Platin-Widerstandstemperaturvorrichtung (RTD = Resistive Temperature
Device) aufweisen. Eine solche Widerstandstemperaturvorrichtung
bzw. RTD kann einen Widerstand aufweisen, der sich mit der Temperatur
gemäß einer
bekannten Beziehung verändert
(beispielsweise einer linearen Beziehung in einem speziellen interessanten
Temperaturbereich).
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Die
Steuervorrichtung 30 kann verschiedene Komponenten aufweisen,
um Software-Anwendungen laufen zu lassen. Beispielsweise kann die
Steuervorrichtung 30 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU
= Central Processing Unit), einen Arbeitsspeicher (RAM = Random
Access Memory), Eingabe/Ausgabe-Elemente (I/O-Elemente) usw. aufweisen.
Die Steuervorrichtung 30 kann eine Einheit bilden, die
extra für
das Elektromotorschutzsystem 26 vorgesehen ist. Alternativ
kann die Steuervorrichtung 30 mit einer elektronischen
Steuereinheit (ECU = Electronic Control Unit) der Arbeitsmaschine 10 zusammenfallen.
Weiterhin kann die Steuervorrichtung 30 verschiedene Module
aufweisen, egal ob integriert oder allein stehend, um den Generatorleistungswandler 17 und
den Motorleistungswandler 18 zu steuern. Für die Speicherung
und den Aufruf von Informationen und Daten kann die Steuervorrichtung 30 mit
einer Speichereinheit 41 assoziiert sein.
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Die
Steuervorrichtung 30 kann konfiguriert sein, um die Ausgabe
von temperaturempfindlichen Elementen 28 zu überwachen
und Temperaturwerte zu bestimmen, die mit irgendeinem oder mit allen
der temperaturempfindlichen Elemente 28 assoziiert sind.
Für die
Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann eine Ausgabe bzw. Ausgangsgröße sowohl
aktiv gelieferte Informationen (beispielsweise ein Informationen
führendes
Signal) als auch passiv gelieferte Informationen (beispielsweise
eine messbare oder detektierbare Charakteristik, wie beispielsweise
den Widerstand eines Widerstandstemperaturelementes) aufweisen.
In dem Ausführungsbeispiel
mit Widerstandstemperaturelement kann die Steuervorrichtung 30 beispielsweise
konfiguriert sein, um eine Spannung oder ein Stromsignal zu temperaturempfindlichen
Elementen 28 zu liefern und Widerstandswerte zu bestimmen,
die mit einem oder mehreren temperaturempfindlichen Elementen 28 assoziiert sind.
Basierend auf den gemessenen Widerstandswerten kann die Steuervorrichtung 30 die
Temperaturen von den Regionen bestimmen, in denen die temperaturempfindlichen
Elemente 28 liegen.
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Wegen
der signifikanten thermischen Masse, die in dem Stator 32 und
in anderen Komponenten des Elektromotors 16 vorhanden sein
kann, können
die Temperaturwerte, die basierend auf den Ausgangsgrößen der
temperaturempfindlichen Elemente 28 bestimmt wurden (d.h.
die tatsächlichen
Temperaturwerte der Regio nen, in denen die temperaturempfindlichen
Elemente 28 gelegen sind) anders sein als die tatsächliche
Temperatur der Statorleiter 40. Somit kann die Steuervorrichtung 30 konfiguriert
sein, um eine vorhergesagte Temperatur zu bestimmen, die mit den
Statorleitern 40 assoziiert ist. Diese vorhergesagte Temperatur
kann basierend auf einem oder auf mehreren Temperaturwerten bestimmt
werden, die von den temperaturempfindlichen Elementen 28 geliefert
werden, weiter basierend auf vorbestimmten Wärmedissipations- bzw. Wärmeableitungscharakteristiken
des Elektromotors 16, auf der Größe von Strömen, die in die Statorleiter 40 fließen oder
die in diese geflossen sind, und basierend auf irgendwelchen anderen
die Temperatur beeinflussenden Parametern.
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Die
Steuervorrichtung 30 kann konfiguriert sein, um die vorhergesagte
Temperatur der Statorleiter 40 durch Zusammenaddieren von
zumindest einer tatsächlichen
Temperatur, die von den temperaturempfindlichen Elementen 28 geliefert
wurde, und mindestens einem Ausdruck bzw. einer Größe zu bestimmen,
die von dem Strom in den Statorleitern 40 abhängt. In
gewissen Ausführungsbeispielen
kann die Größe des Stroms
in den Statorleitern 40 eine gemessene Größe sein.
Alternativ und vorzugsweise kann die Größe des Stroms in den Statorleitern 40 direkt
durch eine Motorleistungswandlerfunktion oder den CPU-Teil der Steuervorrichtung 30 gesteuert werden,
und kann daher eine bekannte Größe sein.
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann die Steuervorrichtung 30 konfiguriert sein, um die
vorhergesagte Temperatur der Statorleitungen 40 gemäß der folgenden
Gleichung zu bestimmen: Tp(n) = Ta(n) + αI2(n – 1)
+ βΣn-2x=0 αI2(x) (1)wobei
Tp die vorhergesagte Temperatur des Leiters ist,
wobei n eine Aufnahmezeit darstellt, wobei Ta die tatsächliche
Temperatur der Region darstellt, wobei α einen Skalierungsfaktor und
einen Dissipations- bzw. Ableitungskoeffizienten für den Elektromotor
darstellt, wobei I eine Größe eines
Stroms darstellt, der in dem Leiter fließt, und wobei β eine Dispersions- bzw.
Verteilungskonstante für
den Elektromo tor darstellt. Diese Gleichung schätzt die tatsächliche
Temperatur der Statorleiter 40 basierend auf den gegenwärtigen Temperaturauslesungen
ab, die von den temperaturempfindlichen Elementen 28 geliefert
werden und aufgrund des kurz vorhergehenden Leistungsaufnahmeverlaufs
der Statorleitungen 40.
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Aufnahmen
der Temperaturinformationen, die von den temperaturempfindlichen
Elementen 28 geliefert werden, können zu einer Vielzahl von
Aufnahmezeitpunkten, n, aufgenommen werden, die voneinander um regelmäßige Aufnahmezeitintervalle beabstandet
sind. Diese Aufnahmezeitintervalle können als irgendeine geeignete
Zeitlänge
in Übereinstimmung
mit den Anforderungen einer speziellen Anwendung eingestellt sein.
In einem Ausführungsbeispiel
können
die Aufnahmemessungen und die Berechnung der vorhergesagten Temperatur
der Statorleiter 40 in regelmäßigen Intervallen von 10 Millisekunden
ausgeführt
werden.
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Der
erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (1) stellt die
Temperatur dar, die durch eines der temperaturempfindlichen Elemente 28 bei dem
gegenwärtigen
Aufnahmezeitpunkt n geliefert wird. Dieser Temperaturwert, wie er
oben beschrieben wird, kann einem tatsächlichen Temperaturwert in
einer Region benachbart zu den Statorleitern 40 zum Aufnahmezeitpunkt
n entsprechen.
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Der
zweite Ausdruck der Gleichung (1) stellt einen Beitrag zur Temperatur
der Statorleiter 40 dar, der durch den Strom verursacht
wird, der in den Statorleitern 40 zum Aufnahmezeitpunkt
n – 1
fließt
(d.h. der Aufnahmezeitpunkt gerade vor dem gegenwärtigen Zeitpunkt
n). Der Strom I in den Statorleitern 40 wird in dem zweiten
Ausdruck der Gleichung quadriert, um widerzuspiegeln, dass dieser
Ausdruck in Beziehung zur Leistungsableitung ist. Der Koeffizient α weist sowohl
einen Skalierungsfaktor als auch einen Dissipationskoeffizienten
auf, der in Beziehung mit den Dissipations- bzw. Ableitungscharakteristiken des
Elektromotors 16 ist.
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Der
dritte Ausdruck der Gleichung (1) stellt einen diskreten Integrator
dar, der die thermischen Ableitungs- bzw. Dispersionseigenschaften
des Elektromotors 16 annähert. Eine laufende Summe der thermischen
Leistungsableitungsaufnahmen αI2 wird mit einer Dispersionskonstanten β multipliziert.
Die Aufnahmezeit Null (d.h. x = 0) des Integrators bzw. Integrationsterms
stellt eine Anfangszeit dar, wo der Temperaturvorhersagealgorithmus
den Betrieb beginnt. Die laufende Summe der thermischen Leistungsableitungsaufnahmen
weist daher alle Aufnahmen bis zu einem Aufnahmezeitpunkt n – 2 auf
(d.h. zwei Aufnahmezeitpunkte vor dem gegenwärtigen Aufnahmezeitpunkt).
Der Koeffizient β,
d.h. die Dispersionskonstante, hat einen Wert zwischen 0 und 1 und
ist abhängig
von der Aufnahmezeitfrequenz der Steuervorrichtung 30.
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Die
Koeffizienten α und β können experimentell
für den
Elektromotor 16 bestimmt werden oder alternativ für eine Klasse
von Elektromotoren, die den Elektromotor 16 aufweist. Beispielsweise
können
die Werte dieser Koeffizienten so ausgewählt werden, dass die vorhergesagte
Temperatur, die von der Gleichung (1) geliefert wird, möglichst
nah an die tatsächlichen
Temperaturbedingungen angepasst ist, die beispielsweise in einer
Testlaborumgebung bestimmt wurden. Als ein Beispiel von Koeffizientenwerten,
die in dieser Weise bestimmt werden können, kann der Koeffizient α einen Wert
von 0,000001 haben und der Koeffizient β kann einen Wert von 0,98 haben.
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Wie
oben erwähnt,
können
die temperaturempfindlichen Elemente 28 eine Anordnung
von Elementen aufweisen, die jeweils eine Temperaturinformation
liefern, die in Beziehung zu unterschiedlichen Regionen des Elektromotors 16 sind.
Die Gleichung (1) kann verwendet werden, um eine Temperatur der Statorleiter 40 basierend
auf irgendeinem der temperaturempfindlichen Elemente 28,
basierend auf einigen oder allen vorherzusagen. Es kann daher möglich sein,
eine Vielzahl von unterschiedlichen vorhergesagte Temperaturwerten
der Statorleiter 40 zu erzeugen. Diese unterschiedlichen
vorhergesagten Temperaturwerte können
heiße
Punkte und kalte Punkte in den Statorleitern 40 darstellen
oder können variierende
Grade der Empfindlichkeit der temperaturempfindlichen Elemente 28 widerspiegeln.
Falls erwünscht,
kann eine einzige vorhergesagte Temperatur der Statorleiter 40 entweder
durch Auswahl eines einzigen vorhergesagten Temperaturwertes (beispielsweise
der höchsten
berechneten Temperatur) aus der Vielzahl von berechneten Werten,
durch Mittelwertbildung der berechneten Werte oder gemäß irgendeinem
anderen erwünschten
Vorgang bestimmt werden.
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Das
Bestimmen einer vorhergesagten Temperatur der Statorleiter 40 kann
anzeigen, wann ein Überlastzustand
im Elektromotor 16 existiert. Zusätzlich kann der vorhergesagte
Temperaturwert der Statorleiter 40 verwendet werden, um
aktiv einen solchen Überlastzustand
zu vermeiden.
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4 veranschaulicht
ein Informationsflussdiagramm, welches einen beispielhaften Prozess darstellt,
den das Elektromotorschutzsystem 26 einsetzen kann, um
das Risiko eines Überlastzustandes zu
minimieren oder zu verhindern. Wie in 4 gezeigt,
stellt eine Karte bzw. ein Kennfeld 42 von Drehmoment gegenüber Drehzahl
eine vorbestimmte Nenn-Drehmomentgrenze für den Elektromotor 16 dar.
Die Arbeitsmaschine 10 kann einen Motordrehzahlsensor 43 (beispielsweise
einen Dual-Hall-Effekt-Sensor oder irgendeine andere geeignete Bauart
eines Sensors) aufweisen, wie in 2 gezeigt, um
einen gegenwärtigen
Betriebsdrehzahlwert für den
Elektromotor 16 zu liefern. Unter Verwendung dieses gegenwärtigen Drehzahlwertes
bzw. Ist-Drehzahlwertes und des Drehmoment/Drehzahl-Kennfeldes 42 kann
die Steuervorrichtung 30 einen Wert des maximal verfügbaren Drehmomentes
entsprechend der gegenwärtigen
Drehzahl des Elektromotors 16 bestimmen. Dieser Wert des
verfügbaren
Drehmomentes kann mit einem De-Rate-
bzw. Herunterregelungsfaktor multipliziert werden, wie in 4 gezeigt, um
eine Drehmomentgrenze zu bestimmen, die auf den Elektromotor 16 angewandt
werden kann.
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Die
Steuervorrichtung 30 kann den Herunterregelungsfaktor durch
Vergleich des vorhergesagten Temperaturwertes der Statorleiter 40 mit
einem vorherbestimmten Kennfeld 44 des Herunterregelungsfaktors
gegenüber
der Temperatur bestimmen. Wie veranschaulicht, ist der De-Rate-
bzw. Herunterregelungsfaktor ein Wert der zwischen Null und Eins
variieren kann. Bei niedrigen Leitertemperaturen ist der Herunterregelungsfaktor
eins, was zu einer Drehmomentgrenze gleich der maximal verfügbaren Drehmomentgrenze
führt,
die von dem Drehmoment/Drehzahl-Kennfeld 42 vorgeschrieben
wird (d.h. 100% der maximal verfügbaren
Drehmomentgrenze). Wenn die vorhergesagte Temperatur der Statorleiter 40 jedoch
ansteigt, kann der Herunterregelungsfaktor einen Wert von weniger
als eins haben.
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Für einen
Herunterregelungsfaktor von beispielsweise 0,5 wäre die auf den Elektromotor 16 aufgebrachte
Drehmomentgrenze 50% der maximal verfügbaren Drehmomentgrenze, die
von dem Drehmoment/Drehzahl-Kennfeld vorgeschrieben wird. Durch das
Herunterregeln des maximal verfügbaren
Drehmomentes gemäß der vorhergesagten
Temperatur der Statorleiter 40 kann das Risiko eines Überlastungszustandes
im Elektromotor 16 verringert werden.
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Die
Steuervorrichtung 30 kann konfiguriert sein, um eine Drehmomentgrenze
auf den Elektromotor 16 nur beim Erreichen einer gewissen
vorherbestimmten Schwellentemperatur anzuwenden. Diese Schwellentemperatur
kann einer Temperatur Tc entsprechen, wie
in dem Herunterregelungsfaktor/Temperatur-Kennfeld 44 gezeigt,
die einer Temperatur entspricht, wo der Herunterregelungsfaktor kleiner
als Eins wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 30 konfiguriert
sein, um den Betrieb des Elektromotors 16 basierend auf
irgendeiner Anzahl von anderen Temperaturschwellenwerten zu steuern.
Beispielsweise kann ein kritischer Temperaturschwellenwert so eingestellt
sein, dass beim Erreichen der kritischen Temperatur, der Elektromotor 16 ausgeschaltet
wird.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Das
offenbarte Schutzsystem kann verwendet werden, um irgendeine Komponente
von irgendeiner Art von elektrischer Vorrichtung zu schützen, welche
durch Wärme
beschädigt
werden kann. In einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel
kann die Komponente einem Statorleiter 40 des Elektromotors 16 entsprechen.
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Das
gegenwärtig
offenbarte Schutzsystem hat verschiedene Vorteile. Während beispielsweise mehrere
temperaturempfindliche Vorrichtungen 28 vorgesehen sein
können,
kann das Schutzsystem 26 konfiguriert sein, um die Temperatur
der Statorleiter 40 unter Verwendung von nur einer einzigen
temperaturempfindlichen Vorrichtung 28 vorherzusagen. Mit
weniger Sensorvorrichtungen kann es beträchtliche Einsparungen bei den
Herstellungs- und Montagekosten geben. Weiterhin kann mit weniger
Sensoren die Zuverlässigkeit
des Schutzsystems 26 gegenüber Systemen mit einer komplexen
Anordnung von vielen Sensoren verbessert werden.
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Es
kann auch Vorteile bei den Herstellungskosten geben, die sich aus
der Fähigkeit
ableiten, die temperaturempfindlichen Elemente 28 in Regionen benachbart
zu Statorleitern 40 anzuordnen. Wegen der Temperaturvorhersagefähigkeiten
des Schutzsystems 26 müssen
beispielsweise die Temperatursensoren 28 nicht direkt in
den Statorleitern 40 oder sogar in Kontakt mit diesen gelegen
sein. Die Flexibilität
bei der Anordnung der Elemente kann die Komplexität der Konstruktion
und die Verarbeitungskosten verringern, die mit der Konstruktion
und Montage des Elektromotors 16 assoziiert sind.
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Das
Schutzsystem 26 kann auch die Effizienz im Betrieb der
Arbeitsmaschine 10 verbessern. Anstatt beispielsweise darauf
zu warten, dass ein Überlastzustand
auftritt, und dann einfach den Elektromotor 16 abzuschalten,
was effektiv die Arbeitsmaschine 10 abschalten könnte, kann
das Schutzsystem 26 aktiv den Betrieb des Elektromotors 16 steuern,
um das Risiko zu verringern, dass ein Überlastungszustand auftritt.
Das heißt,
durch Überwachung
der Temperatursituation der Statorleiter 40 und durch Anwendung
von Drehmomentgrenzen für den
Elektromotor 16 basierend auf dem Drehmoment/Drehzahl-Kennfeld 42 und
dem De-Rate- bzw. Herunterregelungsfaktor/Temperatur-Kennfeld 44 kann
das Schutzsystem 26 die Möglichkeit verringern oder eliminieren,
dass der Elektromotor 16 ausreichende Drehmoment/Motorstrom-Niveaus
erreicht, um einen Überlastungszustand
zu erreichen.
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Das
Schutzsystem 26 kann auch beträchtlich kürzere Ansprechzeiten im Vergleich
zu anderen Systemen zeigen. Wenn es beispielsweise eine Vorhersagekomponente
mit einschließt,
die die Effekte von gegenwärtigen
und vergangenen Strompegeln mit einem gemessenen Temperaturwert
summiert, kann das Schutzsystem 26 schnell Temperaturveränderungen
in den Statorleitern 40 berücksichtigen. Diese Vorhersagefähigkeit
des Schutzsystems 26 kann beträchtlich die Ansprechzeiten
gegenüber Systemen
verringern, die die Leitertemperatur alleine basierend auf der Ausgangsgröße von Abfühlvorrichtungen überwachen.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem offenbarten Schutzsystem vorgenommen werden
können,
ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich werden andere Ausführungsbeispiele
des offenbarten Systems dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung
offensichtlich sein. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung
und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein
wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und
ihre äquivalenten
Ausführungen
gezeigt wird.
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Zusammenfassung
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Überlastschutzsystem für eine elektrische
Vorrichtung
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Ein
Schutzsystem für
eine elektrische Vorrichtung kann mindestens ein temperaturempfindliches
Element aufweisen, welches in einer Region benachbart zu einer Komponente
der elektrischen Vorrichtung gelegen ist und konfiguriert ist, um
eine Ausgangsgröße zu liefern,
die in Beziehung mit der tatsächlichen
Temperatur in der Region ist. Das System kann auch eine Steuervorrichtung
aufweisen, die konfiguriert ist, um die tatsächliche Temperatur in der Region
basierend auf der Ausgangsgröße von dem mindestens
einen temperaturempfindlichen Element zu bestimmen und eine vorhergesagte
Temperatur der Komponente basierend auf der tatsächlichen Temperatur in der
Region und basierend auf einer vorbestimmten Wärmedissipationscharakteristik
der elektrischen Vorrichtung zu bestimmen.