DE112011104567T5

DE112011104567T5 - Integrierte steuerungen von generatoren mit geschalteter reluktanz

Info

Publication number: DE112011104567T5
Application number: DE201111104567
Authority: DE
Inventors: Jackson Wai; Thuong Le; Adam Braun; Jesse Gerdes; Mark Hartman; James Siegle
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2013-10-17
Also published as: CN103270275B; WO2012087498A3; US20150127207A1; CN103270275A; US20120161723A1; JP2014501479A; US9340113B2; US8975878B2; WO2012087498A2

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Generators eines elektrischen Antriebs, der mit einem Motor assoziiert ist, ist vorgesehen. Das Verfahren kann einen Betriebszustand des elektrischen Antriebs basierend auf einer Drehzahl des Motors bestimmen, und selektiv ein Kennfeldsteuerschema oder ein Steuerschema mit fester Theta-Abschaltung zum Betreiben des Generators basierend auf dem Betriebszustand des elektrischen Antriebs einstellen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf elektrische Antriebsanordnungen und Maschinen und insbesondere auf Systeme und Verfahren zur Steuerung von Generatoren elektrischer Antriebsanordnungen und Maschinen.
Hintergrund
Mit dem steigenden Interesse an der Energieeinsparung werden zunehmend mehr industrielle Arbeitsmaschinen mit elektrischen Antriebsanordnungen zum Antreiben der Arbeitsmaschine und zum Betätigen verschiedener Werkzeuge oder Funktionen beliefert. Die laufenden Entwicklungen bei elektrischen Antrieben haben es möglich gemacht, dass elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen in effektiver Weise der Leistungsfähigkeit rein mechanisch angetriebener Arbeitsmaschinen gleichkommen oder diese übertreffen, während sie signifikant weniger Brennstoff und Gesamtenergie erfordern. Da elektrische Antriebsanordnungen in Bezug auf industrielle Arbeitsmaschinen und Ähnliches zunehmend üblicher geworden sind, ist die Nachfrage nach effizienteren Generatoren und Techniken zur Steuerung der selbigen ebenfalls angestiegen.
Ein Generator einer elektrischen Antriebsmaschine wird typischerweise verwendet, um mechanische Leistung, die von einer primären Leistungsquelle empfangen wird, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor, in elektrische Leistung umzuwandeln, um einen oder mehrere Betriebsvorgänge der Arbeitsmaschine auszuführen. Zusätzlich kann ein Generator verwendet werden, um die elektrische Leistung, die innerhalb eines gemeinsamen Bus oder einer Speichervorrichtung gespeichert ist, in mechanische Leistung umzuwandeln. Innerhalb der verschiedenen Arten von Generatoren, die zur Verwendung mit einer elektrischen Antriebsanordnung verfügbar sind, haben Generatoren mit geschalteter Reluktanz bzw. SR-Generatoren (SR = Switched Reluctance) ein großes Interesse erfahren, da sie robust und kosteneffizient sind. Während gegenwärtig existierende Systeme und Verfahren zur Steuerung von SR-Generatoren eine adäquate Steuerung vorsehen, gibt es Raum für Verbesserung.
Eine Technik zum Betreiben von Generatoren bezieht sich auf vordefinierte oder vorprogrammierte Steuerkarten bzw. Kennfelder, die ein ideales Generatorsteuerprofil basierend auf der Betriebsbedingung oder dem Zustand des elektrischen Antriebs und der assoziierten Maschine vorschlagen. Um jedoch ein derartiges Kennfeldsteuerschema zu implementieren, müssen die Generatorsteuerprofile mehrere mögliche Ereignisse und Bedingungen berücksichtigen, auf die der Generator und der elektrische Antrieb reagieren müssen. Derartige Steuerschemata können für Gleichgewichtszustandsbedingungen adäquat sein, wobei die Motor- oder Generatordrehzahlen im Wesentlichen konstant sind und es relativ kleine Anzahlen von Variablen gibt, die in einer Steuervorrichtung zu bedenken und vorzuprogrammieren sind. In Bezug auf Übergangszustände, wobei die Motor- oder Generatordrehzahlen signifikant fluktuieren, ist es jedoch übermäßig umständlich und teuer sämtliche der möglichen Kombinationen von Variablen zu berücksichtigen und in einer Steuervorrichtung vorzuprogrammieren.
Demgemäß ist es wichtig, adaptive und effiziente Mittel zur Steuerung von Generatoren elektrischer Antriebsanordnungen und Maschinen vorzusehen. Die offenbarten Systeme und Verfahren sind auf das Adressieren von einem oder mehreren dieser zuvor erwähnten Erfordernisse gerichtet.
Zusammenfassung der Offenbarung
In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Generators eines elektrischen Antriebs vorgesehen, der mit einem Motor assoziiert ist. Das Verfahren bestimmt einen Betriebszustand des elektrischen Antriebs basierend auf einer Drehzahl des Motors und setzt selektiv ein Nachschautabellen- bzw. Kennfeldsteuerschema und ein Steuerschema mit fester Theta-Abschaltung zum Betreiben des Generators basierend auf dem Betriebszustand des elektrischen Antriebs ein.
In einem weiteren Aspekt der Offenbarung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Generators eines elektrischen Antriebs, der mit einem Motor assoziiert ist, vorgesehen. Das Verfahren sieht ein erstes Signal zum Betreiben des Generators basierend auf einem Kennfeldsteuerschema vor, sieht ein zweites Signal zum Betreiben des Generators basierend auf einem Steuerschema mit fester Theta-Abschaltung vor, bestimmt einen Betriebszustand des elektrischen Antriebs basierend auf den Ausgabecharakteristiken des Motors, und aktiviert selektiv eines der ersten und zweiten Signale zur Steuerung des Generators basierend auf dem detektierten Betriebszustand des elektrischen Antriebs.
In noch einem weiteren Aspekt der Offenbarung ist ein adaptives Steuersystem für einen Generator eines elektrischen Antriebs vorgesehen. Das Steuersystem weist eine Konverterschaltung auf, die konfiguriert ist, um mit einer oder mehreren Phasen eines Stators des Generators zu kommunizieren, und eine Steuervorrichtung befindet sich in Verbindung mit der Konverterschaltung und einem Motor, der mit dem elektrischen Antrieb assoziiert ist. Die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um einen Betriebszustand des elektrischen Antriebs basierend auf zumindest einer Drehzahl des Motors zu bestimmen. Die Steuervorrichtung ist ebenfalls konfiguriert,. um ein Kennfeldsteuerschema und ein Steuerschema mit fester Theta-Abschaltung zum Betreiben des Generators basierend auf dem Betriebszustand des elektrischen Antriebs in Anspruch zu nehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine diagrammartige Ansicht einer Maschine, die gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist;
2 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Ausführungsbeispiels eines adaptiven Steuersystems, wie es auf einen typischen elektrischen Antrieb angewendet wird;
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung eines Generators für einen elektrischen Antrieb;
4 ist eine schematische Ansicht von zwei möglichen Betriebsmodi eines Generators eines elektrischen Antriebs;
5 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Regelungssystems, wie es auf das Steuersystem der 2 angewendet wird;
6 ist eine schematische Ansicht eines Einzelpulsmodus zum Betreiben des Generators;
7 ist eine schematische Ansicht eines Kennfeldsteuerschemas, wie es auf den Einzelpulsmodus der 6 angewendet wird;
8 ist eine schematische Ansicht eines Steuerschemas mit einer festen Theta-Abschaltung, wie es auf den Einzelpulsmodus der 6 angewendet wird; und
9 ist eine schematische Ansicht eines Kennfeldsteuerschemas, wie es auf den Stromregulierungsmodus zum Betreiben eines Generators angewendet wird.
Detaillierte Beschreibung
Bezug wird nun im Detail auf spezifische Ausführungsbeispiele oder Merkmale genommen, von denen Beispiele in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind. Im Allgemeinen werden entsprechende Bezugszeichen über die Zeichnungen hinweg verwendet, um die gleichen oder entsprechende Teile zu bezeichnen.
1 stellt diagrammartig eine mobile Maschine 100 dar, die elektrische Antriebsmittel einsetzen kann, um die Bewegung zu bewirken. Genauer gesagt, kann die Maschine 100 eine Leistungsquelle 102 aufweisen, die mit einem elektrischen Antrieb 104 gekoppelt ist, um eine Bewegung über eine Traktionsvorrichtung 106 zu bewirken. Eine derartige mobile Maschine 100 kann als eine Arbeitsmaschine verwendet werden, um eine bestimmte Art von Betrieb auszuführen, der mit einem Industriezweig assoziiert ist, wie beispielsweise dem Bergbau, dem Bauwesen, der Landwirtschaft, dem Transportwesen oder mit irgendeinem anderen geeigneten Industriezweig, der in der Technik bekannt ist. Beispielsweise kann die Maschine 100 eine Erdbewegungsmaschine, ein Seefahrzeug bzw. Schiff, ein Luftfahrzeug, ein Traktor, ein Geländelastwagen, ein Straßenpassagierfahrzeug oder irgendeine andere mobile Maschine sein. Die Leistungsquelle 102 des elektrischen Antriebs 104 kann beispielsweise einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen Erdgasmotor oder irgendeine andere Art von Verbrennungsmotor umfassen, der gewöhnlich zum Erzeugen von Leistung verwendet wird. Der elektrische Antrieb 104 kann ebenfalls in Verbindung mit irgendeiner geeigneten Leistungsquelle verwendet werden, wie beispielsweise mit einer Brennstoffzelle oder Ähnlichem. Der Motor 102 kann konfiguriert sein, um direkt oder indirekt Leistung auf parasitäre Lasten 108 über Riemen, hydraulische Systeme und Ähnliches zu übertragen. Der Motor 102 kann ebenfalls konfiguriert sein, um mechanisch Leistung auf einen Generator 110 des elektrischen Antriebs 104 über eine Kupplung oder eine axial rotierende Antriebswelle 112 zu übertragen.
Unter Bezugnahme auf 2 kann der Generator 110 des elektrischen Antriebs 104 ein Generator mit geschalteter Reluktanz bzw. ein SR-Generator (SR = Switched Reluctance) sein oder irgendein geeigneter Generator, der konfiguriert ist, um elektrische Leistung ansprechend auf die Rotationseingabe von dem Motor 102 zu erzeugen. Wie in der Technik gut bekannt ist, kann der Generator 110 einen Rotor 114 aufweisen, der in drehbarer Weise innerhalb eines festen Stators 116 angeordnet ist. Der Rotor 114 des Generators 110 kann in drehbarer Weise mit einer Ausgabe des Motors 102 über die Antriebswelle 112 oder in anderen verwandten Ausführungsbeispielen über eine direkte Kurbelwelle, einen Getriebestrang, eine hydraulische Schaltung und Ähnliches gekoppelt sein. Der Stator 116 des Generators 110 kann elektrisch mit einem gemeinsamen Bus 118 des elektrischen Antriebs 104 über eine Konverterschaltung 120 gekoppelt sein. Während eines Erzeugungsbetriebsmodus, wenn der Rotor 114 des Generators 110 innerhalb des Stators 116 durch den Motor 102 gedreht wird, kann elektrischer Strom innerhalb des Stators 116 induziert und an die Konverterschaltung 120 geliefert werden. Die Konverterschaltung 120 kann wiederum die elektrischen Signale in eine geeignete Gleichstromspannung zur Verteilung an verschiedene elektrische Lasten oder Vorrichtungen der Maschine 100 umwandeln. Zusätzlich kann der Generator 110 aktiviert werden, um die Rotation des Rotors 114 ansprechend auf die elektrischen Signale zu bewirken, die von dem gemeinsamen Bus 118 beispielsweise während eines Anlassbetriebsmodus zum Stator 116 geliefert werden.
Der gemeinsame Bus 118 kann eine Positivleitung 122 und eine Negativ- oder Erdungsleitung 124 vorsehen, über die der gemeinsame Bus 118 eine allgemeine Gleichstrombusspannung zwischen einer oder mehreren elektrisch parallelen Vorrichtungen der Maschine 100 zu übermitteln. Beispielsweise kann der gemeinsame Bus 118 die Leistung, die durch den Motor 102 und den Generator 110 an einen oder mehrere Traktionsmotoren 126 geliefert wird, zu einem oder mehreren Traktionsmotoren 126 übermitteln, um eine Bewegung über eine Traktionsvorrichtung 106 zu bewirken. Genauer gesagt, kann die Konverterschaltung 120 ein Gleichstromsignal liefern, das durch den gemeinsamen Bus 118 an eine Gleichrichterschaltung 128 oder Ähnliches übertragen werden soll, die konfiguriert ist, um die Gleichstromspannung in die die geeigneten Wechselstromsignale (AC-Signale) umzuwandeln, um den einen oder die mehreren Traktionsmotoren 126 anzutreiben. Der gemeinsame Bus 118 kann ebenfalls die allgemeine Gleichstromspannung an andere Vorrichtungen der Maschine 100, wie beispielsweise ein Hybridsystem, elektrisch angetriebene Pumpen, elektrisch angetriebene Gebläse oder andere Hilfslasten kommunizieren bzw. übertragen.
Wie in 2 gezeigt, kann der elektrische Antrieb 104 ebenfalls mit einem adaptiven Steuersystem 130 zur Steuerung des Generators 110 versehen sein. Das Steuersystem 130 kann ebenfalls eine Steuervorrichtung 132 aufweisen, die sich in Kommunikation mit sowohl der Konverterschaltung 120 als auch der Leistungsquelle oder dem Motor 102 befindet, der mit einem bestimmten elektrischen Antrieb 104 assoziiert ist. Die Konverterschaltung 120 kann ebenfalls eine Reihe von Transistoren oder Gate- bzw. Gatterschaltern 134 und Dioden 136 zur selektiven Aktivierung von einer oder mehreren Phasenwicklungen des Generators 110 aufweisen. Ein Dreih-Phasen-Generator 110 mit geschalteter Reluktanz kann beispielsweise unter Verwendung einer Konverterschaltung 120 mit sechs Schaltern 134 und sechs Dioden 136 angetrieben werden, um selektiv jede der drei Phasen des Generators 110 zu aktiveren oder zu deaktivieren. Jeder der Schalter 134 kann über Gattersignale aktiviert oder deaktiviert werden, die durch die Steuervorrichtung 132 geliefert werden können. Leistung an die Konverterschaltung 120 kann durch eine externe oder sekundäre Leistungsquelle, wie beispielsweise durch eine Batterie, Restspannung, die in einem Kondensator 130 des gemeinsamen Bus 118 vorgesehen wird, oder irgendeine andere geeignete, strombegrenzte Gleichstromleistungsversorgung geliefert werden.
Durch Kommunizieren mit der Konverterschaltung 120 und dem Motor 102 kann die Steuervorrichtung 132 konfiguriert sein, um einen Betriebszustand des assoziierten, elektrischen Antriebs 104 zu bestimmen, und wiederum adaptiv das geeignete Steuerschema für das Betreiben des Generators 110 einstellen. Die Steuervorrichtung 132 kann unter Verwendung eines oder mehrerer Prozessoren, Mikroprozessoren, Mikrosteuervorrichtungen, eines elektronischen Steuermoduls bzw. ECM (ECM = Electronic Control Module), einer elektronischen Steuereinheit bzw. ECU (ECU = Electronic Control Unit) oder irgendeines anderen geeigneten Mittels zum Vorsehen der elektronischen Steuerung des Generators 110 implementiert werden. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 132 konfiguriert sein, um gemäß einem vorbestimmten Algorithmus oder Satz von Anweisungen zum Betreiben des Generators 110 basierend auf den Eigenschaften des Motors 102 und/oder des elektrischen Antriebs 104 zu arbeiten. Ein derartiger Algorithmus oder Satz von Anweisungen kann vorprogrammiert oder in einen Speicher der Steuervorrichtung 132 integriert sein, wie er gewöhnlich in der Technik verwendet wird.
Jetzt auf 3 Bezug nehmend, ist ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung eines Generators 110 mit einer Vielzahl von Schritten vorgesehen, die selektiv durch die Steuervorrichtung 132 beispielsweise während des Betriebs des assoziierten elektrischen Antriebs 104 und des Generators 110 ausgeführt werden können. In einem Anfangsschritt S1 kann die Steuervorrichtung 132 eine Drehzahl von einem assoziierten Motor 102 und/oder dem Generator 110 bestimmen. Genauer gesagt, kann die Steuervorrichtung 132 elektronisch mit einer oder mehreren Positions- und/oder Drehzahlsensoren 140 kommunizieren, wie in 2 gezeigt, die an einem Ausgang des Motors 102 und/oder des Rotors 114 des Generators 110 angeordnet sind. Die Sensoren 140 können Codierer, Näherungssensoren, Stromsensoren oder irgendeinen anderen geeigneten Sensor zum Vorsehen eines elektrischen Signals umfassen, welches gemäß dem Rotationsversatz der Abtriebswelle 112 des Motors 102, des Rotors 114 des Generators 110 oder Ähnlichem variiert. Basierend auf den Sensorsignalen und unter Verwendung der bekannten mechanischen Beziehungen des Motors 102 und/oder des Generators 110, kann die Steuervorrichtung 132 vorprogrammiert sein, um die effektive Drehzahl des Motors 102 zu bestimmen und zu verfolgen. In weiteren Modifikationen kann die Steuervorrichtung 132 konfiguriert sein, um die Veränderungsrate der Motordrehzahl zu überwachen.
Wie ferner in 4 dargestellt ist, kann basierend auf der effektiven Motordrehzahl die Steuervorrichtung 132 den geeigneten Betriebsmodus des Generators 110 in einem Schritt S2 bestimmen. Genauer gesagt, kann die Steuervorrichtung 132 die Motordrehzahl mit einem oder mehreren vordefinierten Motordrehzahlschwellenwerten vergleichen, um zu bestimmen, ob die Motordrehzahl mit einer relativ hohen Motordrehzahl, einer Nenn- oder Mittelbereichsmotordrehzahl, einer relativ niedrigen Motordrehzahl oder Ähnlichem übereinstimmt. Wenn die detektierte Motordrehzahl mit einer relativ hohen Motordrehzahl übereinstimmt, kann die Steuervorrichtung 132 konfiguriert sein, um einen Einzelpulsmodus 142 zum Betreiben des Generators 110 in einem Schritt S3 einzustellen. Alternativ, wenn die detektierte Motordrehzahl mit einer nominalen Motordrehzahl bzw. Nennmotordrehzahl oder einer relativ niedrigen Motordrehzahl übereinstimmt, kann die Steuervorrichtung 132 konfiguriert sein, um einen Stromregulierungsmodus 144 zum Betrieb des Generators 110 in einem Schritt S4 einzustellen.
Wie in 4 gezeigt, kann die Steuervorrichtung 132 zusätzlich konfiguriert sein, um ein Drehmomentbefehlssignal zu bestimmen, welches sowohl während der Einzelpuls- als auch Stromregulierungsmodi 142, 144 verwendet werden kann, um eine adaptivere Steuerung des Generators 110 vorzusehen. Das Drehmomentbefehlssignal kann beispielsweise ein angepasstes oder begrenztes Signal sein, das aus dem Regelungssystem 146 der 5 abgeleitet ist. Genauer gesagt, kann das Regelungssystem 146 eine Gleichstromspannung des elektrischen Antriebs 104 oder des gemeinsamen Bus 118 messen und die gemessene Spannung mit einer vordefinierten nominalen Gleichstromspannung von diesem vergleichen. Basierend auf der Differenz zwischen den gemessenen und den nominalen Gleichstromspannungen, kann ein Rohdrehmomentbefehlssignal unter Verwendung von beispielsweise einer Proportional-Integral- bzw. PI-Rückkopplungssteuerung 148 oder Ähnlichem abgeleitet werden. Beim Anpassen des Drehmomentbefehls an die geeigneten Grenzen kann das Regelungssystem 146 ein begrenztes Drehmomentbefehlssignal ausgeben, das verwendet werden kann, während entweder die Einzelpuls- oder Stromregulierungsmodi 142, 144 zum Betrieb des Generators 110 ausgeführt werden.
Wieder auf 3 Bezug nehmend kann die Steuervorrichtung 132 Gattersignale übertragen, die einen Einzelpulsmodus 142 zum Betreiben des Generators 110 einstellen, wenn die detektierte Motordrehzahl relativ hoch ist. Beispielsweise können die Gattersignale kontinuierlich beide Schalter 134 der Konverterschaltung 120 aktivieren, die mit jeder Phase des Generators 110 assoziiert sind. Die Steuervorrichtung 132 kann ferner einen Betriebszustand des elektrischen Antriebs 104 in einem Schritt S5 bestimmen. Genauer gesagt kann die Steuervorrichtung 132 basierend auf der detektierten Motordrehzahl, dem abgeleiteten Drehmomentbefehl und Ähnlichem bestimmen, ob sich der Betriebszustand des elektrischen Antriebs 104 in einem Übergangszustand oder Gleichgewichtszustand befindet. Wenn die Eigenschaften des elektrischen Antriebs 104 als im Wesentlichen konstant für eine vorbestimmte Zeitdauer oder in einem Gleichgewichtszustand befindlich bestimmt werden, kann die Steuervorrichtung 132 voranschreiten, um den Generator 110 unter Verwendung eines Kennfeldsteuerschemas 150 in einem Schritt S6 zu betreiben. Wenn bestimmt wird, dass die Charakteristiken des elektrischen Antriebs 104 variieren oder sich in einem Übergangszustand befinden, kann die Steuervorrichtung 132 alternativ fortfahren, den Generator 110 gemäß einem Steuerschema 152 mit fester Theta-Abschaltung bzw. mit Abschaltung bei festem Theta in einem Schritt S7 zu betreiben.
Sich jetzt der 6 zuwendend, ist ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel zur Steuerung eine Generators 110 in einem Einzelpulsmodus 142 zum Betrieb schematisch dargestellt. Wie gezeigt, kann ein Einzelpulsmodus 142 zum Betrieb im Wesentlichen ein Kennfeldsteuermodul 150, ein Steuermodul 152 mit fester Theta-Abschaltung, ein Gleichgewichtszustandsdetektionsmodul 154, ein Ausgabemodul 156 und Ähnliches umfassen. Wie ferner in 7 dargestellt, kann das Kennfeldsteuermodul 150 mit einer Vielzahl von Steuerplänen bzw. Kennfeldern 158 vorprogrammiert sein, welche die Steuervorrichtung 132 als Referenz zur Steuerung des Generators 110 verwenden kann. Genauer gesagt, können die Kennfelder 158 vordefinierte Beziehungen zwischen erwarteten Charakteristiken des elektrischen Antriebs 104 und optimalen Generatorsteuerungen entsprechend dieser Charakteristiken umfassen. Basierend auf dem Motordrehzahl- und Drehmomentbefehl, kann das Kennfeldsteuermodul 150 beispielsweise den am besten geeigneten Satz von Kennfeldern 158 auswählen und Gattersignale zur Steuerung des Generators 110 gemäß den ausgewählten Kennfeldern 158 ausgeben. Die Ausgaben, die durch das Kennfeldsteuermodul 150 vorgesehen werden, können Informationen umfassen, die sich beispielsweise auf den Generatorleitungswinkel, den AN-Winkel, den AUS-Winkel und Ähnliches beziehen. In weiteren Modifikationen kann das Kennfeldsteuermodul 150 zumindest einen Satz von Kennfeldern 158 entsprechend optimalen Generatorsteuerungen zur Verwendung während Anlassbetrieben und zumindest einen Satz von Steuerplänen 158 entsprechend optimalen Generatorsteuerungen zur Verwendung während Erzeugungsbetrieben umfassen.
Obwohl die Kennfeldsteuerschemata 150 am besten für die Verwendung während Gleichgewichtszuständen geeignet sein können, in denen die Verhaltensweisen des elektrischen Antriebs 104 leichter vorherzusagen sind, kann sich die Verwendung von Kennfeldern 158 als ineffizient und umständlich erweisen, wenn man sich auf diese bei Übergangsbetriebszuständen verlässt. Demgemäß kann das Steuermodul 152 mit fester Theta-Abschaltung bzw. Abschaltung bei festem Theta der 6 konfiguriert sein, um optimale Generatorsteuerungen während der Übergangszustände ohne Bezugnahme auf die Kennfelder 158 oder Ähnliches vorzusehen. Stattdessen kann das Steuermodul 152 mit fester Theta-Abschaltung Generatorsteuerungen vorsehen, die sich direkt auf den Drehmomentbefehl sowie irgendeine detektierte Veränderung darin beziehen. Darüber hinaus, da der Drehmomentbefehl durch kontinuierliche Rückkopplung von der gemessenen Gleichstromspannung des elektrischen Antriebs 104 vorgesehen wird, kann das Steuermodul 152 mit fester Theta-Abschaltung sicherstellen, dass die optimale Übergangssteuerung des Generators 110 vorgesehen wird. Wie ferner in 8 dargestellt ist, kann beispielsweise das Steuermodul 152 mit fester Theta-Abschaltung konfiguriert sein, um einen Generatorleitungswinkel und einen AN-Winkel vorzusehen, der direkt mit dem empfangenen Drehmomentbefehl übereinstimmt. Der Generator-AUS-Winkel kann bei einem vordefinierten Winkel festgelegt sein, und zwar unabhängig von den Eigenschaften des elektrischen Antriebs 104 oder dem assoziierten Drehmomentbefehl. In weiteren Modifikationen kann das Steuermodul 152 mit fester Theta-Abschaltung den Generator 110 mit dem geeigneten Leitungswinkel, AN-Winkel, AUS-Winkel und Ähnlichem zur Verwendung während Anlassbetrieben ebenso wie während Erzeugungsbetrieben beliefern.
In dem Einzelpulsmodus 142 der 6 können sowohl das Kennfeldschema 150 als auch das Steuerschema 152 mit fester Theta-Abschaltung simultan aktiviert werden, um Ausgaben zur Steuerung des Generators 110 zu liefern. Die entsprechenden Ausgaben können dann von dem Ausgabemodul 156 empfangen werden. Das Detektionsmodul 154 kann kontinuierlich oder periodisch die Motordrehzahl, den Drehmomentbefehl oder irgendeine andere relevante Eigenschaft bzw. Charakteristik des elektrischen Antriebs 104 überwachen, um zu bestimmen, ob sich der elektrische Antrieb 104 in einem Gleichgewichtszustand oder in einem Übergangszustand befindet. Wenn das Detektionsmodul 154 einen Gleichgewichtszustand bestimmt, kann das Detektionsmodul 154 das Ausgabemodul 156 instruieren, nur solche Generatorsteuersignale durchzulassen, die durch das Kennfeldsteuermodul 150 vorgesehen werden. Wenn das Detektionsmodul 154 eine Überganszustandsbedingung bestimmt, kann das Detektionsmodul 154 das Ausgabemodul alternativ instruieren, nur solche Generatorsteuersignale durchzulassen, die durch das Steuermodul 152 mit fester Theta-Abschaltung vorgesehen werden. In weiteren Modifikationen kann, anstatt beide Steuermodule 150, 152 simultan zu aktivieren, die Steuervorrichtung 132 konfiguriert sein, um nur eines der beiden Steuermodule 150, 152 ansprechend auf die Ausgabe zu aktivieren, die durch das Detektionsmodul 154 vorgesehen wird, um die Anzahl der Prozesse zu reduzieren, die durch die Steuervorrichtung 132 erledigt werden.
Wieder auf 3 Bezug nehmend kann die Steuervorrichtung 132, wenn die detektierte Motordrehzahl einer nominalen oder einer relativ niedrigen Motordrehzahl entspricht, konfiguriert sein, um einen Stromregulierungsmodus 144 zum Betrieb des Generators 110 in Schritt S4 einzustellen, wobei einer oder beide der Schalter 134, die mit jeder Phase des Generators 110 assoziiert sind, in einer pulsierenden oder zerhackten Art und Weise aktiviert werden. Ähnlich dem Schritt S6 des Einzelpulsmodus 142 kann sich die Steuervorrichtung 132 auf eine Vielzahl von Kennfeldern 160 beziehen, um die idealen Generatorsteuerungen zur Verwendung während des Stromregulierungsmodus 144 in einem Schritt S8 zu bestimmen. Wie in 9 gezeigt, kann die Steuervorrichtung 132 beispielsweise basierend auf der Motordrehzahl und dem Drehmomentbefehl den am besten geeigneten Satz von Kennfeldern 160 auswählen, der Informationen umfassen kann, die sich auf einen Strombefehl, einen Betriebszyklus, Generator AN- und AUS-Winkel und Ähnliches beziehen. Die Steuervorrichtung 132 kann dann Ausgaben zum Steuern des Generators 110 gemäß den ausgewählten Kennfeldern 160 vorsehen. In weiteren Modifikationen kann der Stromregulierungsmodus 144 mit zumindest einem Satz von Kennfeldern 160 zur Verwendung während Anlassbetrieben konfiguriert sein, sowie mit zumindest einem Satz von Kennfeldern 160 zur Verwendung während Erzeugungsbetrieben. Zusätzlich oder optional kann die Steuervorrichtung 132 ebenfalls konfiguriert sein, um zu bestimmen, ob die Motordrehzahl relativ niedrig oder nominal ist. Wenn die Motordrehzahl als relativ niedrig bestimmt wird, kann die Steuervorrichtung 132 einen sanft abhackenden Stromregulierungsmodus (soff chopping) zum Betrieb des Generators 110 aktivieren. Während der sanft abhackenden Stromregulierung kann beispielsweise einer der zwei Schalter 134 der Konverterschaltung 120, die mit jeder Phase des Generators 110 assoziiert sind, kontinuierlich aktiviert werden, während der verbleibende Schalter 134 pulsiert oder abgehackt wird. Wenn jedoch bestimmt wird, dass die Motordrehzahl nominal ist, kann die Steuervorrichtung 132 einen scharf bzw. hart abhackenden Stromregulierungsmodus (hard chopping) zum Betrieb des Generators 110 aktivieren, wobei beide Schalter 134 der Konverterschaltung 120, die mit jeder Phase des Generators 110 assoziiert sind, simultan pulsiert oder abgehackt werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Im Allgemeinen ergibt sich durch die vorangehende Offenbarung ein Nutzen in verschiedenen industriellen Anwendungen, wie beispielsweise der Landwirtschaft, den Bau- und Bergbauindustrien durch Vorsehen einer effizienteren Steuerung von Generatoren, die typischerweise in Verbindung mit Arbeitsfahrzeugen und/oder -maschinen, wie beispielsweise Traktoren, Baggerlader, Verdichter bzw. Bodenverfestiger, Fäll- und Zusammenrückmaschinen, Industrieladern, Minibaggern, Radladern und Ähnlichem verwendet werden. Genauer gesagt, können die offenbarten Steuersysteme und -verfahren auf elektrische Antriebsanordnungen und Maschinen mit Generatoren mit geschalteter Reluktanz oder anderen vergleichbaren Generatoren angewendet werden, die allgemein in der Technik verwendet werden. Die hier offenbarten Systeme und Verfahren wählen adaptiv die am besten geeignete Form der Steuerung eines Generators basierend auf dem Zustand der elektrischen Antriebsanordnung aus. Genauer gesagt wird ein Kennfeldsteuerschema eingesetzt, wenn sich der elektrische Antrieb in einem Gleichgewichtszustand befindet, und ein Steuerschema mit fester Theta-Abschaltung bzw. mit Abschaltung bei festem Theta wird eingesetzt, wenn sich der elektrische Antrieb in einem Übergangszustand befindet. Durch ermöglichen, dass der Generator unter sämtlichen Bedingungen effizienter gesteuert wird, werden die Zuverlässigkeit und Effizienz der elektrischen Antriebsanordnung deutlich über die Lebensdauer der assoziierten Arbeitsmaschine hinweg verbessert.
Aus dem Vorangehenden wird klar werden, dass während nur bestimmte Ausführungsbeispiele zum Zweck der Darstellung erläutert wurden, Alternativen und Modifikationen aus der vorangehenden Beschreibung Fachleuten des Gebiets offensichtlich sein werden. Diese und andere Alternativen werden als Entsprechungen bzw. Äquivalente und innerhalb des Rahmen und Umfangs dieser Offenbarung und der beigefügten Ansprüche angesehen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Generators (110) eines elektrischen Antriebs (104), der mit einem Motor (102), assoziiert ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen eines Betriebszustands des elektrischen Antriebs (104) basierend auf einer Drehzahl des Motors (102); und selektives Einstellen eines Kennfeldsteuerschemas (150) und eines Steuerschemas (152) mit fester Theta-Abschaltung zum Betreiben des Generators (110) basierend auf dem Betriebszustand des elektrischen Antriebs (104).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kennfeldsteuerschema (150) eingestellt ist, wenn sich der elektrische Antrieb (104) in einem Gleichgewichtszustand befindet, und das Steuerschema (152) mit fester Theta-Abschaltung eingestellt ist, wenn sich der elektrische Antrieb (104) in einem Übergangszustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kennfeldsteuerschema (150) einen oder mehrere Phasen eines Stators (116) des Generators (110) gemäß zumindest einem einer Vielzahl von vorprogrammierten Steuerplänen (158) steuert, und das Steuerschema (152) mit fester Theta-Abschaltung eine oder mehrere Phasen des Stators (116) des Generators (110) zumindest teilweise basierend auf einem Regelkreissystem (146) steuert, das konfiguriert ist, um die gemeinsame Busspannung zu überwachen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte aufweist: Bestimmen eines Betriebsmodus des Generators (110) basierend auf der Motordrehzahl; Einstellen eines Einzelpulsmodus (142) zum Betreiben des Generators (110), wenn die Motordrehzahl relativ hoch ist; und Einstellen eines Stromregulierungsmodus (144) zum Betreiben des Generators (110), wenn die Motordrehzahl nicht relativ hoch ist.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner einen Schritt des Einstellens eines weich abhackenden Modus, wenn die Motordrehzahl relativ niedrig ist, und des Einstellens eines hart abhackenden Modus aufweist, wenn die Motordrehzahl nominal ist bzw. dem Nennwert entspricht.
Adaptives Steuersystem (130) für einen Generator (110) eines elektrischen Antriebs (104), das Folgendes aufweist: eine Konverterschaltung (120), die konfiguriert ist, um mit einer oder mehreren Phasen eines Stators (116) des Generators (110) zu kommunizieren; und eine Steuervorrichtung (132), die sich in Übertragungsverbindung mit der Konverterschaltung (120) und einem Motor (102) befindet, der mit dem elektrischen Antrieb (104) assoziiert ist, wobei die Steuervorrichtung (132) konfiguriert ist, um einen Betriebszustand des elektrischen Antriebs (104) basierend auf zumindest einer Drehzahl des Motors (102) zu bestimmen, wobei die Steuervorrichtung (132) konfiguriert ist, um entweder ein Kennfeldsteuerschema (150) oder ein Steuerschema (152) mit fester Theta-Abschaltung zum Betreiben des Generators (110) basierend auf dem Betriebszustand des elektrischen Antriebs (104) einzustellen.
Steuersystem (130) nach Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung (132) konfiguriert ist, um ein Kennfeldsteuerschema (150) zum Betreiben des Generators (110) einzustellen, wenn sich der Betriebszustand des elektrischen Antriebs (104) in einem Gleichgewichtszustand befindet, und ein Steuerschema (152) mit fester Theta-Abschaltung zum Betreiben des Generators (110) einzustellen, wenn sich der Betriebszustand des elektrischen Antriebs (104) in einem Übergangszustand befindet.
Steuersystem (130) nach Anspruch 6, wobei das Kennfeldsteuerschema (150) eine oder mehrere Phasen des Stators (116) des Generators (110) gemäß zumindest einem einer Vielzahl von vorprogrammierten Steuerplänen (158) steuert, die in der Steuervorrichtung (132) gespeichert sind.
Steuersystem (130) nach Anspruch 6, wobei das Steuerschema (152) mit fester Theta-Abschaltung eine oder mehrere Phasen des Stators (116) des Generators (110) zumindest teilweise basierend auf einem Regelkreissystem (146) steuert, das konfiguriert ist, um die gemeinsame Busspannung zu überwachen.
Steuersystem (130) nach Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung (132) ferner konfiguriert ist, um einen Betriebsmodus des Generators (110) basierend auf der Motordrehzahl zu bestimmen, einen Einzelpulsmodus (142) zum Betreiben des Generators (110) einzustellen, wenn die Motordrehzahl relativ hoch ist, und einen Stromregulierungsmodus (144) zum Betreiben des Generators (110) einzustellen, wenn die Motordrehzahl nicht relativ hoch ist.