WO2015104134A1

WO2015104134A1 - Bestromen und messen der temperatur von statorwicklungen einer zumindest motorisch betreibbaren elektrischen drehfeldmaschine

Info

Publication number: WO2015104134A1
Application number: PCT/EP2014/077427
Authority: WO
Inventors: Manuel HOELLMANN
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2015-07-16
Also published as: CN105992937B; US20160334281A1; CN105992937A; DE102014200337A1; FR3016489A1; FR3016489B1; US10254174B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestromung der Statorwicklungen einer motorisch betreibbaren Drehfeldmaschine, wobei die Statorwicklungen jeweils mit Phasenströmen beaufschlagt werden, die unter Verwendung eines vektorbasierten Verfahrens vorgegeben werden. Die Phasenströme werden zumindest teilweise mit Biasstromen beaufschlagt, welche durch das vektorbasierte Verfahren derart bestimmt werden, dass sie in der Drehfeldmaschine keine Momentenwirksamkeit aufweisen.

Description

Beschreibung

Titel

Bestromen und Messen der Temperatur von Statorwicklungen einer zumindest motorisch betreibbaren elektrischen Drehfeldmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestromen von

Statorwicklungen einer zumindest motorisch betreibbaren elektrischen Drehfeldmaschine, ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur solcher

Statorwicklungen und Mittel zur Implementierung der genannten Verfahren gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Generatoren zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie im Kraftfahrzeug sind bekannt. Meist werden in diesem Zusammenhang Klauenpol- generatoren verwendet. Dem Stand der Technik entsprechend sind diese meist mit elektrischer Erregung ausgestattet. Da Klauenpolgeneratoren Drehstrom, meist dreiphasig, erzeugen, ist für die üblichen Gleichspannungsbordnetze von Kraftfahrzeugen eine Gleichrichtung erforderlich. Stand der Technik sind Gleichrichter auf Basis von Halbleiterdioden.

Generatoren, die auch zum Fahrzeugantrieb eingesetzt werden können (also auch motorisch betreibbar sind), sind aus dem Bereich der Hybridfahrzeuge bekannt. Ziel ist hierbei, den Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen, bei denen dieser noch nicht sein volles Drehmoment liefert, zu unterstützen

(Boostbetrieb, Turbolochkompensation). Außerdem kann durch ein aktives elektrisches Bremsen die kinetische Energie des Fahrzeuges in das elektrische Bordnetz zurückgespeist werden (Rekuperation). In diesem Zusammenhang werden üblicherweise permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt, die bei höheren Spannungen (typischerweise mehr als 100V) betrieben werden. Dies führt zu einem vergleichsweise komplexen Systemaufbau, verbunden mit be- trächtlichen Änderungen im Triebstrang sowie vergleichsweise aufwändigen

Schutzmaßnahmen aufgrund der hohen Spannungen.

Auch elektrische Drehfeldmaschinen sind bekannt. Diese können als dreiphasige elektrische Maschinen ohne Nullleiter ausgebildet sein. Die im motorischen Be- trieb verwendeten Phasenströme entsprechender Drehfeldmaschinen bzw. von deren Statorwicklungen können bekanntermaßen unter Verwendung vektororientierter Regelungsverfahren (auch als Vektorregelung bezeichnet) vorgegeben werden. Hierzu kommen die Clarke- und/oder Park-Transformation (bzw. die jeweiligen inversen Transformationen) zur Anwendung. Für dreiphasige Drehfeld- maschinen sind über die Vektoren α und ß in der Clarke-Transformation bzw. die

Vektoren d und q in der Park-Transformation alle drei Phasenströme eindeutig definiert, da nur zwei Phasenströme frei bestimmt werden können und der dritte sich aus der Summenbildung der restlichen zwei Ströme ergibt. Nachfolgend werden Begriffe wie "elektrische Drehfeldmaschine", "elektrischer

Drehfeldantrieb" und "Elektromotor" synonym verwendet. In jedem Fall handelt es sich um zumindest zeitweise motorisch, ggf. auch generatorisch, beispielsweise zur Rekuperation, betreibbare elektrische Maschinen, deren Ständerwicklungen im motorischen Betrieb über einen Stromrichter mit Strömen (Phasen- strömen) gemäß einem Ansteuermuster kommutiert werden, so dass sich ein elektrisches Drehfeld ausbildet. Die "Ständerwicklungen" oder "Statorwicklungen" bilden dabei eine oder mehrere Anordnungen aus elektrischen Spulen in beispielsweise stern- oder dreiecksformiger Verschaltung. Ist nachfolgend davon die Rede, dass "Phasen" bestromt oder mit Strömen beaufschlagt werden, bedeutet dies, dass ein entsprechender Strom durch die jeweiligen Statorwicklungen fließt.

Die genannten Angaben sind damit gleichbedeutend. Um die elektrische Maschine, insbesondere deren Statorwicklungen, vor zu hoher Temperatur zu bewahren, ist es wünschenswert, deren tatsächliche Temperatur zu kennen. Bekannte Verfahren ohne Zuhilfenahme von Temperatursensoren arbeiten hierbei mittels einer Widerstandsbestimmung der Statorwicklungen. Mit dem dadurch ermittelten ohmschen Widerstand kann die Temperatur der Wicklung bestimmt werden. Die Messgenauigkeit hängt jedoch von der Toleranz der Strommessung, der Genauigkeit des zur Berechnung verwendeten Motormodells und vor allem von dem Anteil des ohmschen Widerstands zum Gesamtblindwiderstand der Maschine ab.

Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Bereitstellung entsprechender Größen für eine möglichst exakte Temperaturbestimmung ohne Zuhilfenahme von Temperatursensoren.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestromen der Statorwicklungen einer zumindest motorisch betreibbaren elektrischen Drehfeldmaschine, ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur solcher Statorwicklungen und Mittel zur Implementierung der genannten Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Vorteile der Erfindung

Kern der vorliegenden Erfindung ist die gezielte Ausnutzung der Freiheitsgrade eines bei der Bestromung von n Phasen bzw. n Statorwicklungen (nachfolgend auch als "n-phasiges System" bezeichnet) einer elektrischen Drehfeldmaschine, und zwar derart, dass Stromanteile in den einzelnen Phasen eingestellt werden können, die keine Auswirkung auf das drehmomentbildende Feld haben. Dies ermöglicht eine verbesserte Bestimmung des jeweiligen (temperaturabhängigen) ohmschen Widerstands in den Phasen bzw. Statorwicklungen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise unter Verwendung eines Verfahrens zur Vektorregelung bei der Ansteuerung der Drehfeldmaschine implementiert. Die Erfindung bietet jedoch gleichermaßen Vorteile bei der Vektorsteuerung oder an- deren Verfahren. Entsprechende Verfahren werden nachfolgend unter dem Begriff "vektorbasierte Verfahren" zusammengefasst. Die nachfolgende spezifische Bezugnahme auf ein Verfahren zur Vektorregelung erfolgt überwiegend aus Gründen der Anschaulichkeit. Die Erfindung wird am Beispiel einer fünfphasigen elektrischen Drehfeldmaschine beschrieben. Die bekannte Clarke-Transformation für ein dreiphasiges System wird erfindungsgemäß für das fünfphasige System erweitert, um dieses vollständig beschreiben zu können. Hierdurch ist es möglich, eine genauere Temperaturmessung des Stators und unterschiedliche Zusatzfunktionen zu realisieren. Die Erfindung eignet sich jedoch, wie unten erläutert, für alle Drehfeldmaschinen, bei denen eine ausreichende Anzahl an Freiheitsgraden zur Einstellung der Phasenströme existiert, so dass Stromanteile in den Phasen eingestellt werden können, die keine Auswirkung auf das drehmomentbildende Feld haben. Die genannten Zusatzfunktionen umfassen insbesondere die Bestromung der

Statorwicklungen ohne insgesamt ein Drehmoment zu generieren (beispielsweise, um für Selbsttests und/oder Kalibrierfunktionen die Statorwicklungen im Stillstand gezielt aufheizen zu können) und den Umgang mit harmonischen Oberwellen der Phasenströme bei dem fünfphasigen System. Durch die momentan ver- wendeten Clarke-Transformationen (vgl. untenstehende Gleichung 3) sind hier nicht alle Oberwellen sichtbar.

Die vorliegende Erfindung geht von einem Verfahren zur Bestromung der Statorwicklungen einer motorisch betriebenen Drehfeldmaschine aus, wobei die Statorwicklungen jeweils mit Phasenströmen beaufschlagt werden, die unter

Verwendung eines vektorbasierten Verfahrens vorgegeben werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Phasenströme zumindest teilweise mit Biasströmen zu beaufschlagen, welche durch das vektorbasierte Verfahren derart bestimmt werden, dass diese in der Drehfeldmaschine keine Momentenwirksamkeit aufweisen. Falls zur Beaufschlagung der Statorwicklungen verwendete Ströme oder Stromanteile ein Drehmoment erzeugen, das auf den Rotor der Drehfeldmaschine wirkt, wird hier der Begriff "Momentenwirksamkeit" verwendet. Wie erwähnt, werden die Statorwicklungen herkömmlicherweise mit einem Ansteuermuster kom- mutiert, das bewirkt, dass sich ein elektrisches Drehfeld ausbildet. Diese besitzen also eine Momentenwirksamkeit bzw. sind momentenwirksam. Die Erfindung sieht hingegen vor, Ströme oder (zusätzliche) Stromanteile zu verwenden, die für sich betrachtet keine oder keine nennenswerte Kraft auf den Rotor ausüben, also keine oder vernachlässigbare Momentenwirksamkeit besitzen. Voraussetzung für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, wie bereits erwähnt, die Existenz einer Anzahl von Freiheitsgraden zur Bestromung der Statorwicklungen zusätzlich zu den bei regulären, dreiphasigen Drehfeldmaschinen ohne Nullleiter vorhandenen Freiheitsgraden. Wie auch nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert, beträgt in derartigen dreiphasigen Dreh- feldmaschinen die Anzahl von Freiheitsgraden Zwei.

Aufgrund der Kirchhoffschen Regel (auch als Stromknotenregel bezeichnet) muss die Summe der Ströme in den Phasen einer derartigen Drehfeldmaschine Null sein. Bei der Bestromung von dreiphasigen Drehfeldmaschinen bzw. deren Statorwicklungen werden dabei die zwei vorhandenen Freiheitsgrade für eine momentenbindende Bestromung "verbraucht". In höherphasigen Drehfeldmaschinen oder auch in dreiphasigen Drehfeldmaschinen mit Nullleiter existiert hingegen zumindest ein weiterer Freiheitsgrad, der dafür verwendet werden kann, den Phasenströmen einen Gleichstromanteil (Biasstrom) aufzuprägen, der sei- nerseits nicht zur Drehmomentenbildung beiträgt. Ist im Rahmen dieser Erfindung von "Biasströmen" die Rede, mit denen die Phasenströme beaufschlagt werden, handelt es sich effektiv um Additions- bzw. Subtraktionsbeträge, um welche die Phasenströme erhöht oder verringert werden. Es handelt sich dabei beispielsweise um Gleichströme oder Gleichstromanteile, wie auch nachfolgend noch erläutert, also konstante Biasstrome. Diese werden unter

Verwendung des zugrundeliegenden vektorbasierten Verfahrens bestimmt. Die Beaufschlagung mit entsprechenden Biasströmen umfasst, mit anderen Worten, beispielsweise eine Überlagerung mit (positiven oder negativen) Gleichströmen. Unter einem "Biasstrom" werden im Rahmen dieser Anmeldung jedoch auch sich ändernde Ströme verstanden. Ströme ohne Momentenwirksamkeit müssen nicht absolut konstant sein, sondern können sich auch (ausreichend niederfrequent) ändern. Bei einem vektorbasierten Verfahren kann es sich hierbei um sich verändernde Werte für γ bzw. δ handeln. Wie auch unten erläutert, wird bei hohen Frequenzen der Einfluss des ohmschen Widerstands kleiner, so dass diese zur

Temperaturbestimmung nicht mehr brauchbar sind. Ist die Frequenz des nicht momentenwirksamen Stromanteils hingegen ausreichend klein, ist eine Temperaturbestimmung möglich. Liegen die Phasenströme als Konstantströme (oder bei einem Stromwert von

Null) vor, ergibt sich beispielsweise durch konstante Biasstrome jeweils ein konstanter Stromfluss. Fließen damit durch alle Statorwicklungen konstante Gleichströme, führt dies nicht zu einer Momentenbildung in der Drehfeldmaschine, die Statorwicklungen heizen sich jedoch auf. Dies kann beispielsweise auch für Kalibrierfunktionen und/oder für einen Test entsprechender Statorwicklungen mit einem vorgegebenen Maximalstrom verwendet werden.

Werden die Phasenströme hingegen, wie es typischerweise beim motorischen Betrieb einer entsprechenden Drehfeldmaschine der Fall ist, als Ströme vorge- geben, die mit einer bestimmten Phasenstromamplitude und einer bestimmten

Phasenstromfrequenz um einen Mittelwert pendeln (ohne die erfindungsgemäße Beaufschlagung mit Biasströmen pendeln diese Ströme um die Nulllinie) kommt es aufgrund der erfindungsgemäßen Beaufschlagung mit den Biasströmen hingegen zu einer Erhöhung oder Verringerung der Basislinie eines entsprechenden sinusförmigen Phasenstroms.

Wie auch unten erläutert, werden die Biasströme erfindungsgemäß auf Grundlage einer Transformationsvorschrift vorgegeben, bei der es sich um eine von einer Clarke-Transformation abgeleitete Transformationsvorschrift handelt. Mit dieser werden Stromvektoren, die unabhängig von momentenwirksamen Stromvektoren sind und selbst keine Momentenwirksamkeit besitzen, in entsprechende Stromwerte umgerechnet und zur Bestimmung der Versatzbeträge verwendet.

Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestromung der Statorwicklungen einer Drehfeldmaschine, bei der zur Bestromung zumindest vier Freiheitsgrade existieren, wie bereits erläutert. Die Erfindung eignet sich für Drehfeldmaschinen, die als Synchron- oder Asynchronmaschinen ausgebildet sind, in gleicher weise.

Insbesondere ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur von Statorwicklungen einer Drehfeldmaschine, bei dem ein ohmscher Widerstand der Statorwicklungen ermittelt wird. Hierbei werden zumindest während des Ermitteins des ohmschen Widerstands der

Statorwicklungen diese gemäß einem Verfahren wie zuvor erläutert bestromt. Die Bestromung kann auch insbesondere vor der Ermittlung des ohmschen Widerstands erfolgen so dass sich die Statorwicklungen reproduzierbar aufheizen.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer elektrischen Drehfeldmaschine ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhan- den ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine fünfphasige Drehfeldmaschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden kann, in schematischer Teildarstellung.

Figur 2 veranschaulicht die Wirkrichtungen der Phasenströme in einer fünfphasi- gen Drehfeldmaschine in schematischer Darstellung.

Figuren 2A bis 2C veranschaulichen Probleme bei der Rücktransformation von Strömen in Vektordarstellung für fünf Phasen.

Figuren 3A und 3B veranschaulichen Phasenströme und Ströme in Vektordarstellung ohne Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figuren 3A und 3B veranschaulichen Phasenströme und Ströme in Vektordarstellung bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausführungsform(en) der Erfindung

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise eine fünfphasige synchrone Drehfeldmaschine eingesetzt. Zur Erläuterung wird hier jedoch zunächst auf eine dreiphasige synchrone Drehfeldmaschine mit einer entsprechenden dreiphasigen Statorwicklung eingegangen.

Für entsprechende dreiphasige Drehfeldmaschinen besagt die Strom knotenre- gel, wie allgemein bekannt, dass die Summe der Phasenströme (nachfolgend mit la, Ib und Ic bezeichnet), Null sein muss. Von den Phasenströmen la, Ib und Ic können somit zwei Ströme frei gewählt werden, der dritte ergibt sich jeweils gemäß der Stromknotenregel. Mit anderen Worten können die Phasenströme mit zwei Freiheitsgraden ausgewählt werden.

Die Clarke-Transformation, auch als α,β-Transformation bezeichnet, dient dazu, dreiphasige Größen wie bei einer entsprechenden dreiphasigen Drehfeldmaschinen mit den Achsen a, b und c (wahlweise auch mit U, V und W usw. bezeichnet) in ein einfacheres zweiachsiges Koordinatensystem mit den Achsen α und ß zu überführen. Die Clarke-Transformation ist zusammen mit der d,q-Transformation eine der mathematischen Grundlagen zur Vektorregelung von Drehstrommaschinen und beschreibt eine von mehreren möglichen Raumzeigerdarstellungen.

Das der Clarke-Transformation zugrundeliegende rechtwinklige Koordinatensystem wird gleich dem ruhenden Stator gewählt und in der komplexen Ebene mit dem Realteil α und dem Imaginärteil ß abgebildet. Die drei Statorwicklungen sind in einer dreiphasigen Drehfeldmaschine jeweils um einen Winkel von 120° zueinander versetzt, wobei definitionsgemäß die Achse a (bzw. U) mit der reellen Achse α zusammenfällt. Die Clarke-Transformation überführt die drei Phasenströme la, Ib und Ic in zwei gleichwertige Ströme im α,β-Koordinatensystem.

Für die Clarke Transformation gilt:

Entsprechend gilt für die inverse Clarke-Transformation:

Eine fünfphasige Drehfeldmaschine besitzt aufgrund der Stromknotenregel hingegen vier wählbare Phasenströme, der verbleibende fünfte Phasenstrom ergibt sich wiederum aus der Forderung, dass die Summe der Phasenströme Null sein muss. Es existieren also vier Freiheitsgrade.

Die Phasenströme der fünfphasigen Drehfeldmaschine werden nachfolgend mit la bis le bezeichnet. Die Wirkrichtungen der Phasenströme sind ähnlich wie bei einer dreiphasigen Drehfeldmaschine angeordnet, wobei der Winkel zwischen den Nachbarphasen jedoch 72° (2ττ/5) beträgt. Figur 2 veranschaulicht die Wirkrichtungen der Phasenströme in einer fünfphasigen Drehfeldmaschine in sche- matischer Darstellung in einem Diagramm mit den Achsen α und ß.

Zur weiteren Veranschaulichung zeigt Figur 1 eine fünfphasige Drehfeldmaschine 10, bei der die fünf Statorwicklungen 1 1 eines Stators in Sternschaltung miteinander verbunden sind. Zur Bestromung der Statorwicklungen 1 1 sind fünf elekt- rische Anschlüsse A bis E vorgesehen, die mit Wechselstromquellen 12, beispielsweise Ausgängen eines über eine Steuereinrichtung 13 angesteuerten zehnpulsigen aktiven Wechselrichters, verbunden sind. Die über die Wechselstromquellen 12 gegen einen Anschluss 0, beispielsweise Masse, abfallenden Spannungen sind mit UAO bis UEO bezeichnet, die Phasenströme mit la bis le.

Das aus den Phasenströmen resultierende Feld des Stators kann ebenfalls im zweiachsigen α,β-Koordinatensystem dargestellt werden. Dafür wird eine ange- passte Clarke-Transformation für fünf Phasen verwendet:

Die Rücktransformation der Ströme la und Iß in Vektordarstellung zu den Phasenströmen la bis le kann hier jedoch nicht mehr eindeutig erfolgen, da der Pha- senstrom bei den vier vorliegenden Freiheitsgraden überbestimmt ist.

Wie in den Figuren 2A bis 2C gezeigt, lässt sich derselbe resultierende Vektor durch mehrere Kombinationen der Phasenströme erstellen. Die Figuren 2A bis 2C veranschaulichen hier verschiedene Kombinationsmöglichkeiten für einen je- weils resultierenden äquivalenten resultierenden Vektor α = 2,5 und ß = 0 (dieser selbst ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt) im α,β-Koordinatensystem. Die Vektoren la bis le der einzelnen Phasen sind ausgehend vom Ursprung des Koordinatensystems dargestellt. Die gestrichelt dargestellten Vektoren lb' bis le' sind die zur Vektoraddition parallelverschobenen Vektoren. Die Vektoren la bis le sind also zueinander linear abhängig.

Wie in einem dreiphasigen System ist jedoch ein sinusförmiger Verlauf der Phasenströme erwünscht. Die Umsetzung der Phasenbestromung erfolgt daher durch sinusförmige Verläufe über den Rotorlagewinkel. Durch die Vorgabe des Sinusverlaufs und einer identischen Amplitude der Phasenströme ist damit dennoch eine eindeutige inverse Clarke-Transformation möglich, wie in der nachfolgenden Gleichung dargestellt. Dem entspricht auch die Figur 2A.

Zwei der vier Freiheitsgrade sind durch den drehmomentbildenden Anteil α,β beschrieben. Für die restlichen zwei Freiheitsgrade wird die Clarke-Transformation erfindungsgemäß derart erweitert, dass sich keine Auswirkung auf den α,β- Vektor der Phasenströme ergibt. Die zwei zusätzlichen Freiheitsgrade werden nachfolgend mit γ und δ bezeichnet. Dieser Anteil ist in der folgenden Transformation dargestellt:

Die inverse Transformation hierzu lautet entsprechend:

In Kombination ergibt sich eine erweiterte Clarke-Transformation:

bzw. eine inverse erweiterte Clarke-Transformation:

Die Werte Ιγ und Ιδ haben keinen Einfluss auf la und Iß und somit keine Auswirkung auf das Drehmoment. Durch eine Transformation aus den Größen γ und δ mit der inversen Transformation gemäß Gleichung 6 zu den Phasengrößen und eine anschließende Clarke-Transformation in das α,β-Koordinatensystem kann die Unabhängigkeit der genannten Variablen zueinander gezeigt werden (hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt).

Nachfolgend wird erläutert, wie unter Berücksichtigung der zuvor erläuterten Grundlagen eine für eine Temperaturbestimmung erforderliche verbesserte Widerstandsmessung während des Betriebs der Drehfeldmaschine erfolgen kann.

Zunächst wird erläutert, wie gemäß dem Stand der Technik ausschließlich mit α,β-Koordinaten bzw. den hiervon abgeleiteten d,q-Koordinaten eine Widerstandsberechnung erfolgen kann. Das d,q-System und die in diesem Zusammenhang verwendete Park-Transformation sind literaturbekannt und werden daher hier nicht näher erläutert. Hierbei gilt: ^ud = ^R _S - - p - ⁽o - L_q - i_q

u_q = ^R _s ^{■ ~} P^{■ ω ■ L}d ^■ + P^■ ω + P^■ ω · WR wobei u_d und u_q die Statorspannungen in d,q-Koordinaten, id und iq die

Statorströme in d,q-Koordinaten, IJJ_r die Rotorflussverkettung, Rs den

Statorwiderstand sowie L_d und L_q die Leitungslängs- bzw. -querinduktivität bezeichnen.

Wie in den Gleichungen 9 zu sehen, ist das Spannungs-/Stromverhältnis sowohl vom Statorwiderstand als auch von den Induktivitäten und der induzierten Spannung abhängig. Umso größer die Drehzahl, umso kleiner wird der Einfluss des ohmschen Widerstands. Die elektrische Drehfeldmaschine wird jedoch hauptsächlich bei hohen Drehzahlen betrieben. Somit ist eine Widerstandsberechnung zur Temperaturbestimmung nur schwer möglich. Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand ist literaturbekannt:

Hier lässt sich erfindungsgemäß eine signifikante Verbesserung erzielen:

Für den feldorientierten Betrieb werden die Ströme la und Iß in bekannter Weise eingestellt und geregelt. Die Werte für Ιγ und 15 sind davon, wie oben hergeleitet, unabhängig und können beliebig innerhalb der Betriebsgrenzen eingestellt werden. Es ist somit möglich, parallel einen zusätzlichen Stromvektor zu stellen.

Während des feldorientierten Betriebs im stationären Zustand rotiert der a,ß- Vektor mit der Frequenz des elektrischen Drehwinkels der Drehfeldmaschine bei konstanter Zeigerlänge. Somit ist die Kreisfrequenz des α,β-Vektors an die Umdrehungszahl der Drehfeldmaschine gebunden. Der zusätzliche γ,δ-Vektor ermöglicht es nun, die Phasen mit einer überlagerten Gleichspannung zu beaufschlagen. Es stellt sich ein überlagerter Gleichstrom ein. Durch den γ,δ- Gleichstromvektor entsteht kein Drehmomentripel.

Mit anderen Worten wird also im motorischen Betrieb ein erster Stromvektor (der α,β-Vektor) in einem vektororientierten Regelungsverfahren vorgegeben, um die Statorwicklungen mit Strömen zu beaufschlagen, die ein Drehmoment in der Drehfeldmaschine erzeugen. Ein zweiter Stromvektor (der γ,δ-Vektor) wird zusätzlich vorgegeben, um die Statorwicklungen mit Strömen (Biasströmen) zu beaufschlagen, die kein Drehmoment in der Drehfeldmaschine erzeugen

In den Figuren 3A und 3B bzw. 4A und 4B sind jeweils Phasenströme (Figuren 3A bzw. 4A) und die rotierenden α,β-Vektoren (Figuren 3B bzw. 4B) über den Phasenwinkel φ in rad dargestellt. In der Darstellung gemäß Figur 3B beträgt γ,δ Null. In Figur 4B ist derselbe α,β-Vektor mit überlagertem γ,δ-Gleichanteil (Biasstrom) veranschaulicht. Das hierdurch erzeugte Drehmoment ist jedoch identisch, weil durch den γ,δ-Gleichanteil kein Drehmoment induziert wird. Uber die Widerstandsbestimmung mit R = U/1 kann über den Temperaturkoeffizienten gemäß Gleichung 10 über den Widerstand die Temperatur der

Statorwicklung bestimmt werden.

Der Vorteil gegenüber der Bestimmung der Temperatur gemäß dem Stand der Technik liegt erstens darin, dass keine Mitberechnung der Induktivität erforderlich ist, und zweitens darin, dass dafür auch kein hochgenaues Maschinenmodell der Induktivität im berechnenden System vorhanden sein muss. Die Temperatur kann somit wesentlich genauer als mit bisherigen Verfahren ohne Drehmomentabweichungen berechnet werden.

Falls erwünscht, können in der Drehfeldmaschine auch Phasenströme eingestellt werden, ohne dass irgendein Drehmoment entsteht. Hierzu kann ausschließlich der γ,δ-Vektor (ohne einen α,β-Vektor) verwendet werden. Anwendungen dafür sind beispielsweise ein gleichmäßiges Aufheizen aller Phasen der Drehfeldmaschine und/oder ein Selbsttest der Phasenströme bis zum Maximalstrom.

Aufgrund der nicht vollständigen Abbildung der Phasenströme im α,β-Koor- dinatensystem sind bei ausschließlicher Transformation bzw. Rücktransformation gemäß den Gleichungen 5 bzw. 6 (also bei regulärer Clarke-Transformation unter Verwendung des α,β-Koordinatensystems) nicht alle harmonischen Oberwellen sichtbar. Es sind damit die Oberwellen gemeint, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz der Phasenströme besitzen. Die nachfolgende Tabelle zeigt, in welchem System sich die jeweiligen Oberwellen abbilden:

Die fünfte Oberwelle kann nicht auftreten, da hierdurch die Summenregel der fünf Phasenströme nicht eingehalten wird. Eine Korrektur beziehungsweise Kompen- sation kann erfindungsgemäß in dem jeweiligen System (α,β oder γ,δ) vorgenommen werden. Dies ist gemäß Stand der Technik nicht möglich.

Es sei betont, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch alternative Transformationsvorschriften zum Einsatz kommen können. Beispiele sind in den nachfolgenden Gleichungen angegeben.

Die Erfindung eignet sich für elektrische Drehfeldmaschinen mit fünf Phasen, grundsätzlich jedoch auch für andere Drehfeldmaschinen mit einer entsprechenden Anzahl von Freiheitsgraden, beispielsweise dreiphasige Drehfeldmaschinen mit einem Nullleiter.

Die Erfindung kann auch in Drehfeldmaschinen mit zwei Anordnungen von Statorwicklungen für einen Rotor, beispielsweise mit sechs Statorwicklungen in zwei Gruppen von jeweils drei Statorwicklungen, eingesetzt werden. In den zu- letzt erwähnten Anordnungen sind beispielsweise in jeder der Gruppen die

Statorwicklungen um 120° zueinander versetzt und die Statorwicklungen der zwei Gruppen zueinander wiederum um 30° versetzt angeordnet. Die genannten Winkel sind nur als Beispiele anzusehen. Es handelt sich also um zwei dreiphasige Wicklungsanordnungen, die jeweils in Sternkonfiguration angeordnet sind (nachfolgend auch als "Sterne" bezeichnet). Die Sternkonfiguration kann auch als Dreiecksschaltung oder gemischt mit Stern und Dreieck aufgebaut werden. Der Winkelversatz der Wicklungen, in diesem Fall elektrisch 30°, kann auch einen anderen Winkel einnehmen, wie erwähnt. Die Wicklungsanordnungen sind (beispielsweise) mit 30° elektrischem Winkelversatz installiert. Daraus ergibt sich für die beiden einzelnen Sternschaltungen jeweils eine separate Clarke-Transformation, die winkelkorrigiert ist:

Um das Nulldrehmoment zu erreichen, muss die Bedingung erfüllt sein, dass α und ß insgesamt zu Null werden:

Eine dreiphasige Maschine hat zwei Freiheitsgrade bei der Phasenstromwahl. Bei der erläuterten Doppelsternkonfiguration existieren vier Freiheitsgrade. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.

Um nun einen drehmomentfreien Stromvektor in eine solche Drehfeldmaschine einzuprägen ist es erforderlich, dass die resultierenden α,β-Vektoren der einzel- nen Sterne mit der gleichen Amplitude in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Somit ist es auch hier möglich, einen Gleichstrom einzuprägen, der keine Drehmomentauswirkung hat, beispielsweise um die Statortemperatur zu messen oder die anderen Möglichkeiten der zusätzlichen Freiheitsgrade zu nutzen.

Die Winkellage der α,β-Koordinaten kann frei gewählt werden und auch eine andere Lage einnehmen. Wichtig ist die Vergleichbarkeit der resultierenden Vektoren der einzelnen Wicklungen.

Claims

Ansprüche

1 . Verfahren zur Bestromung der Statorwicklungen (1 1 ) einer motorisch

betreibbaren Drehfeldmaschine (10), bei dem die Statorwicklungen (1 1 ) mit Phasenströmen (la - le) beaufschlagt werden, die unter Verwendung eines vektorbasierten Verfahrens vorgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenströme (la - le) zumindest teilweise mit Biasströmen beaufschlagt werden, welche durch das vektorbasierte Verfahren derart bestimmt werden, dass sie in der Drehfeldmaschine (10) keine Momentenwirksamkeit aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Phasenströme (la - le) durch das vektorbasierte Verfahren derart vorgegeben werden, dass sie mit einer Pha- senstromamplitude und einer Phasenstromfrequenz um Mittelwerte pendeln, wobei die Phasenstromamplitude und die Phasenstromfrequenz auf Grundlage einer angeforderten Drehgeschwindigkeit und/oder eines angeforderten Drehmoments der Drehfeldmaschine (10) bestimmt werden und die Mittelwerte den Biasströmen entsprechen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Biasströme auf Grundlage einer Transformationsvorschrift vorgegeben werden, mit der zweite Stromvektoren (γ,δ) die unabhängig von momentenwirksamen ersten Stromvektoren (α,β) sind, in Stromwerte umgerechnet werden.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zur Bestromung der Statorwicklungen (1 1 ) einer Drehfeldmaschine (10) verwendet wird, bei welcher zur Bestromung zumindest vier Freiheitsgrade existieren.

Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zur Bestromung ner Drehfeldmaschine (10) eingesetzt wird, die als Synchron- oder Asynchronmaschine ausgebildet ist.

Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zur Bestromung einer Drehfeldmaschine (10) mit sechs Statorwicklungen in zwei Gruppen von jeweils drei Statorwicklungen eingesetzt wird, wobei in jeder der Gruppen die Statorwicklungen um zueinander versetzt und die Statorwicklungen der zwei Gruppen ebenfalls zueinander versetzt angeordnet sind.

Verfahren zur Bestimmung der Temperatur der Statorwicklungen (1 1 ) einer motorisch betreibbaren Drehfeldmaschine (10), bei dem ein ohmscher Widerstand der Statorwicklungen (1 1 ) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Ermitteln des ohmschen Widerstands der Statorwicklungen (1 1 ) die Statorwicklungen (1 1 ) gemäß einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche bestromt werden.

Verfahren nach Anspruch 7, bei dem vor dem Ermitteln des ohmschen Widerstands der Statorwicklungen (1 1 ) die Statorwicklungen (1 1 ) für eine vorgegebene Zeit gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bestromt werden, so dass sich die Statorwicklungen (1 1 ) erwärmen.

Recheneinheit, insbesondere Steuereinrichtung (13) einer motorisch betreibbaren Drehfeldmaschine (10), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.

10. Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 9 ausgeführt wird.

1 1 . Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.