DE202019101146U1 - Device for detecting the winding temperature - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (10) zum Ermitteln der Temperatur TW einer Wicklung einer mit einem Stator und einem Rotor ausgebildeten Drehfeldmaschine umfassend wenigstens ein erstes Kalman-Filter (K1) zur Berechnung der Temperatur sowie eine Drehfeldregelung zur Vektorregelung der Drehfeldmaschine mit wenigstens einem id-Stromregler, der ausgebildet ist, der Wicklungsspannung ein hochfrequentes Spannungssignal (HF) aufzuprägen um daraus einen Wicklungsstrom mit einem hochfrequent überlagertem Stromanteil für die Wicklung zu erhalten, welcher dem Kalman-Filter (K1) zugeführt wird, wobei das Kalman-Filter (K1) ein Hochfrequenzmodell des Motors besitzt, um daraus den Hochfrequenzwiderstand der Wicklung und daraus wiederum mittels einer Rechenfunktion die Wicklungstemperatur TW zu ermitteln.Device (10) for determining the temperature TW of a winding of a stator and a rotor formed rotary field machine comprising at least a first Kalman filter (K1) for calculating the temperature and a rotating field control for vector control of the induction machine with at least one id-current controller formed is to impart to the winding voltage a high frequency voltage signal (HF) to obtain therefrom a winding current having a high frequency superimposed current component for the winding which is supplied to the Kalman filter (K1), the Kalman filter (K1) having a high frequency model of the motor in order to determine the high-frequency resistance of the winding therefrom and, in turn, the winding temperature TW therefrom by means of a computing function.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung Erfassung der Wicklungstemperatur einer Motorwicklung.The invention relates to a device detecting the winding temperature of a motor winding.
Es ist allgemein bekannt, dass beim Betrieb eines Elektromotors, wie z. B. einem Gleichstrommotor im Wesentlichen die Motorwicklung erwärmt wird und deshalb bei Vollastbetrieb oder unter extremen Einsatzbedingungen die Erwärmung der Wicklung besonders beachtet werden muss. Zu diesem Zweck sind verschiedene Temperaturmesseinrichtungen bekannt geworden. It is well known that during operation of an electric motor, such. B. a DC motor, the motor winding is heated substantially and therefore the heating of the winding must be paid particular attention at full load or under extreme conditions. For this purpose, various temperature measuring devices have become known.
Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Wicklungstemperatur besteht beispielsweise darin, einen Temperaturmessfühler in der Wicklung vorzusehen und damit die Temperatur der Wicklung direkt zu messen. Nachteilig bei dieser Einrichtung ist jedoch, dass die Temperatur nur an der Stelle gemessen werden kann, an der sich der Messfühler befindet. Dies bedeutet, dass örtliche Temperaturüberhöhungen in anderen Bereichen der Wicklung, oder die (gesamte) mittlere Temperatur (Temperaturverteilung) in der Wicklung, nicht gemessen werden können.One way to determine the winding temperature, for example, is to provide a temperature sensor in the winding and thus to measure the temperature of the winding directly. A disadvantage of this device, however, is that the temperature can only be measured at the point at which the sensor is located. This means that local temperature peaks in other areas of the winding, or the (overall) average temperature (temperature distribution) in the winding, can not be measured.
Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Wicklungstemperatur besteht darin, den ohm'schen Widerstand der Wicklung zu messen und aus diesem gemessenen Widerstandswert und einem Vergleichswert, d. h. einem Widerstandswert der Wicklung bei kaltem Motor, die Temperaturerhöhung zu bestimmen. Prinzipiell könnte die Wicklungstemperatur durch eine Messung des elektrischen Widerstands der Erregerwicklung ermittelt werden. Dies führt jedoch nur in einem stationären Betrieb einer fremderregten Synchronmaschine zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Bei dynamischen Vorgängen werden derartige Temperaturmessungen hingegen durch Ankerrückwirkungen und Ströme in Dämpferstromkreisen so stark verzerrt, dass eine Temperaturermittlung mittels Widerstandsmessungen praktisch nicht möglich ist.Another way to measure the winding temperature is to measure the ohmic resistance of the winding and from this measured resistance value and a comparison value, d. H. a resistance value of the winding when the engine is cold, to determine the temperature increase. In principle, the winding temperature could be determined by measuring the electrical resistance of the field winding. However, this leads to satisfactory results only in a stationary operation of a separately excited synchronous machine. In dynamic processes, however, such temperature measurements are so strongly distorted by armature reactions and currents in damper circuits that a temperature determination by means of resistance measurements is practically impossible.
Bekannte Methoden zur Temperaturerfassung sind der Einbau von Sensoren in die Wicklung, die Bestimmung der Wicklungstemperatur über Zustandsschätzer (Kalmanfilter, Gradientenmethode) aus den Motor-Differentialgleichungen, die direkte Messung des Wicklungswiderstandes im Betrieb durch Einkoppelung einer Messspannung oder die Berechnung der Motortemperatur anhand thermischer Netzwerkmodelle des Motors.Known methods for temperature detection are the installation of sensors in the winding, the determination of the winding temperature via state estimator (Kalman filter, gradient method) from the motor differential equations, the direct measurement of the winding resistance during operation by coupling a measuring voltage or the calculation of the motor temperature using thermal network models of the engine.
Aus der
Aus der
Die im Stand der Technik bekannten Lösungen verwenden dabei im Kalman-Filter das Grundschwingungsmodell und berechnen aus den Stellgrößen Klemmenspannung und der Messgröße der Wicklungsströme den Wicklungswiderstand. Da es hier jedoch noch zu recht ungenauen Ergebnissen kommt und dieses Verfahren auf Basis des Grundschwingungsmodells vor allem bei größeren Motor-Bauformen schwierig ist, besteht ein Bedarf nach einer alternativen Temperaturbestimmung der Wicklung einer Drehfeldmaschine.The solutions known from the prior art use the fundamental vibration model in the Kalman filter and calculate the winding resistance from the manipulated variables terminal voltage and the measured variable of the winding currents. Since, however, quite inaccurate results still occur here and this method based on the basic vibration model is difficult, especially for larger engine designs, there is a need for an alternative temperature determination of the winding of a rotating field machine.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine optimierte und verbesserte Vorrichtung zur Ermittlung einer Wicklungstemperatur einer Wicklung einer Drehfeldmaschine anzugeben.The invention is therefore based on the object to overcome the aforementioned disadvantages and to provide an optimized and improved device for determining a winding temperature of a winding of a rotating field machine.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by the features of
Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, die Ausnutzung des Skin-Effektes zur Ermittlung der Wicklungstemperatur bei hochfrequenten Strömen zu verwerten.A basic idea of the present invention relates to a device which is designed to utilize the utilization of the skin effect for determining the winding temperature at high-frequency currents.
Der Skin-Effekt ist die Eigenschaft von Leitern bei Vorhandensein eines Wechselstroms, bei der nur die oberflächennahen Bereiche eines Leiters für den Transport der Ladungsträger zur Verfügung stehen. Beim Wechselstrom werden in Abhängigkeit der konkreten Frequenz entsprechende Wirbelströme und elektrische Felder erzeugt, die die Ladungsträger in die Oberfläche des Leisters verdrängen. Dabei dienen die elektrischen Felder als Träger der Energie dienen. Dabei verringert sich aber auch der für die Ladungsträger nutzbare Leiterquerschnitt, wobei der Wirkwiderstand des Leiters zunimmt Wirkwiderstand. Da der Widerstand selbst eine von der Temperatur abhängige Größe ist, gibt es einen unmittelbaren Zusammenhang zwischen dem Hochfrequenzwiderstand der Leitung und der Temperatur.The skin effect is the property of conductors in the presence of an alternating current, in which only the near-surface areas of a conductor for the transport of the charge carriers are available. When alternating current corresponding eddy currents and electric fields are generated in response to the specific frequency, which displace the charge carriers in the surface of the Leisters. The electric fields serve as carriers of energy. At the same time, however, the conductor cross-section which can be used for the charge carriers is reduced, whereby the effective resistance of the conductor increases the effective resistance. Since the resistance itself is a temperature dependent quantity, there is one immediate relationship between the high frequency resistance of the line and the temperature.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Vorrichtung zum Ermitteln der Temperatur TW einer Wicklung einer mit einem Stator und einem Rotor ausgebildeten Drehfeldmaschine umfassend wenigstens ein erstes Kalman-Filter zur Bestimmung der Temperatur. Hierzu wird zunächst eine Drehfeldregelung zur Vektorregelung der Drehfeldmaschine mit wenigstens einem id-Stromregler vorgesehen, der ausgebildet ist, eine Strangspannung für die Wicklung bereit zu stellen sowie ein hochfrequentes Spannungssignal der Strangspannung aufzuprägen um daraus einen Wicklungsstrom mit einem hochfrequent überlagertem Stromanteil für die Wicklung zu erhalten.According to the invention, a device for determining the temperature T W of a winding of a rotating field machine formed with a stator and a rotor comprises at least one first Kalman filter for determining the temperature. For this purpose, a rotating field control is first provided for vector control of the induction machine with at least one id-current controller, which is designed to provide a strand voltage for the winding and impose a high-frequency voltage signal of the strand voltage in order to obtain a winding current with a high-frequency superimposed current component for the winding ,
Dieser Strom mit dem hochfrequenten Anteil wird dem Kalman-Filter zugeführt, wobei das hierzu vorgesehene Kalman-Filter ein Modell insbesondere ein Hochfrequenzmodell des Motors besitzt, um daraus den Hochfrequenzwiderstand der Wicklung und daraus wiederum mittels einer Rechenfunktion die Wicklungstemperatur TW zu schätzen und zu ermitteln.This current with the high-frequency component is supplied to the Kalman filter, wherein the Kalman filter provided for this purpose has a model, in particular a high-frequency model of the motor, in order to estimate and determine the high-frequency resistance of the winding from this in turn by means of a computing function.
Das klassische Kalman-Filter ist in vielen Fällen nicht einsetzbar, da es auf lineare Zustandsraummodelle beschränkt ist. Die hier vorherrschenden Effekte sind aber nichtlinearer Natur. Somit wird mit besonderem Vorteil ein nichtlineares Kalman-Filter verwendet. Hierzu kann auf nichtlineare Erweiterungen des Kalman-Filters wie das erweiterte Kalman-Filter (Abk. EKF) oder auch das unscented Kalman-Filter (Abk. UKF) zurück gegriffen werden. Diese Kalman-Filter-Varianten nähern das nichtlineare Problem durch ein lineares, wobei entweder analytische (EKF) oder statistische Techniken (UKF) zum Einsatz kommen. Im Sinne eines unkomplizierten Sprachgebrauchs werden diese Erweiterungen häufig abkürzend ebenfalls als Kalman-Filter bezeichnet, da sie ebenso eine rekursive sowie eine Prädiktor-Korrektor-Struktur haben. Im Gegensatz zum einfachen Kalman-Filter muss für Kalman-Matrix eine freie Variable verwendet werden und muss diese während des gesamten Filtereinsatzes jeweils mitgeschätzt werden.The classic Kalman filter is in many cases not applicable because it is limited to linear state space models. The prevailing effects are nonlinear. Thus, a non-linear Kalman filter is used with particular advantage. For this purpose, non-linear extensions of the Kalman filter such as the extended Kalman filter (abbreviation EKF) or the unscented Kalman filter (abbreviation UKF) can be used. These Kalman filter variants approximate the nonlinear problem by a linear one using either analytical (EKF) or statistical (UKF) techniques. In terms of straightforward usage, these extensions are often referred to as the Kalman filter, as they also have a recursive and a predictor-corrector structure. In contrast to the simple Kalman filter, a free variable must be used for Kalman matrix and must be estimated during the entire filter operation.
Erfindungsgemäß ist weiter mit Vorteil vorgesehen, dass das hochfrequente Kalman-Filter ausgebildet ist, die spezifischen spektralen Anteile im Stromsignal auszuwerten. Hierfür können entsprechend angepasste Algorithmen zur Realisierung der entsprechenden Simulationsmodelle verwendet werden.According to the invention, it is further provided with advantage that the high-frequency Kalman filter is designed to evaluate the specific spectral components in the current signal. Correspondingly adapted algorithms for the realization of the corresponding simulation models can be used for this purpose.
Die Auswertegenauigkeit lässt sich weiter verbessern, wenn der Wicklungsdraht der Wicklung eine dünne Eisenbeschichtung oder eine Beschichtung mit einem hohen Eisengehalt aufweist.The evaluation accuracy can be further improved if the winding wire of the winding has a thin iron coating or a coating with a high iron content.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass ein zweites Kalman-Filter vorgesehen ist, welches mit einem Motorgrundmodell ausgebildet ist, um die Lage eines Rotors der Drehfeldmaschine zu schätzen bzw. zu ermitteln. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass das zweite Kalman-Filter ausgebildet ist, um die Drehzahl des Rotors der Drehfeldmaschine zu schätzen bzw. zu ermitteln.In a preferred embodiment of the invention, it is further provided that a second Kalman filter is provided, which is designed with a basic engine model in order to estimate or determine the position of a rotor of the induction machine. In a preferred embodiment, it is provided that the second Kalman filter is designed to estimate or determine the rotational speed of the rotor of the induction machine.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Hochfrequenzmodell im ersten Kalman-Filter im rotorfesten Koordinatensystem modelliert ist.In a likewise advantageous embodiment, it is provided that the high-frequency model is modeled in the first Kalman filter in the rotor-fixed coordinate system.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Drehfeldmaschine ausgebildet mit einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung gemäß zur Ermittlung der Wicklungstemperatur.Another aspect of the present invention relates to a rotating field machine formed with a device as described above for determining the winding temperature.
Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Arbeitsweise der Vorrichtung zur Ermittlung der Wicklungstemperatur einer Wicklung einer Drehfeldmaschine mit den folgenden Schritten:
- a) Erzeugen einer Strangspannung mit einem hochfrequent überlagerten Spannungsanteil an wenigstens einer Wicklung der Drehfeldmaschine;
- b) Zuführen der Strangspannung an wenigstens den Eingang des ersten Kalman-Filters (
K1 ) und Ermitteln der Differenz zwischen dem Ist-Strangstrom und dem Soll-Strangstrom in der Wicklung basierend auf dem im Kalman-Filter (K1 ) hinterlegten Modell; - c) Schätzen bzw. Ermitteln des Hochfrequenzwiderstandes und
- d) Ermitteln der Wicklungstemperatur aus dem Hochfrequenzwiderstand.
- a) generating a strand voltage with a high-frequency superimposed voltage component on at least one winding of the induction machine;
- b) supplying the strand voltage to at least the input of the first Kalman filter (
K1 ) and determining the difference between the actual phase current and the nominal phase current in the winding based on that in the Kalman filter (K1 ) deposited model; - c) estimating or determining the high-frequency resistance and
- d) determining the winding temperature from the high frequency resistor.
Besonders vorteilhaft ist es ,wenn dabei das zweite Kalman-Filter aus der Differenz zwischen dem Ist-Strangstrom und dem Soll-Strangstrom in der Wicklung basierend auf dem im zweiten Kalman-Filter hinterlegten Modell die Rotorlage des Rotors und die Drehzahl der Drehfeldmaschine schätzt bzw. ermittelt.It is particularly advantageous if the second Kalman filter estimates the rotor position of the rotor and the rotational speed of the rotary field machine from the difference between the actual phase current and the nominal phase current in the winding based on the model stored in the second Kalman filter or determined.
Weiter ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Bestimmung der Wicklungstemperatur im zuvor genannten Schritt d) mit Hilfe der Änderung des Widerstands auf Basis des Temperaturkoeffizienten des Wicklungsdrahtes der Wicklung erfolgt.Furthermore, it is advantageously provided that the determination of the winding temperature in the aforementioned step d) takes place with the aid of the change of the resistance on the basis of the temperature coefficient of the winding wire of the winding.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt.Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIG.
Es zeigt:
-
1 eine beispielhafte Vorrichtung zur Ermittlung der Wicklungstemperatur.
-
1 an exemplary device for determining the winding temperature.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die
Die Regelungseinrichtung 1 stellt eine Vektorreglung einer Drehfeldmaschine bereit und umfasst hierzu einen Stromregler
Am Ausgang des Stromreglers
Der erforderliche Regelungsablauf geht unmittelbar aus der
Ferner dient das erste Kalman-Filter
Das zweite Kalman-Filter
Am Ausgang des Kalman-Filters
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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