WO2016005074A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer rotortemperatur, computerprogramm, computerprogramm-produkt - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer rotortemperatur, computerprogramm, computerprogramm-produkt Download PDF

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WO2016005074A1 PCT/EP2015/060015 EP2015060015W WO2016005074A1 WO 2016005074 A1 WO2016005074 A1 WO 2016005074A1 EP 2015060015 W EP2015060015 W EP 2015060015W WO 2016005074 A1 WO2016005074 A1 WO 2016005074A1
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temperature
rotor
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machine
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PCT/EP2015/060015
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Wei-Lung Lee
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/66—Controlling or determining the temperature of the rotor
    • H02P29/664—Controlling or determining the temperature of the rotor the rotor having windings
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    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/66—Controlling or determining the temperature of the rotor

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a rotor temperature of an electrical machine, in particular an asynchronous machine, wherein the
  • Rotor temperature is determined at least in response to reactive power and / or as a function of losses of the electrical machine.
  • the invention relates to a corresponding device and a
  • the rotor temperature of an asynchronous machine is an important information both for the torque accuracy in a field-oriented control and for the temperature protection of the electric machine.
  • the rotor temperature is determined by model calculations. It is known that the rotor temperature is determined by an electromagnetic model, which determines the rotor temperature as a function of reactive power of the electric machine, or in dependence on a thermal model, which determines the rotor temperature as a function of losses.
  • the electromagnetic model is based on the comparison between a calculated reactive power from phase voltage and current and a calculated reactive power from a flow model, which depends on motor parameters, stator frequency and current. A combination of these methods to expand their scope is also already known.
  • the thermal model requires losses as input values, with the
  • the method according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the disadvantages of the known methods are overcome and a possibility for rotor temperature determination is provided which ensures a safe and sufficiently accurate determination of the rotor temperature in each case
  • a first rotor temperature is determined as a function of the reactive power and by a second, in
  • Rotor temperature is determined as the rotor temperature to be determined. In this way it can be ensured by a skillful specification of the operating ranges that the methods work in the respectively optimum operating ranges for them and thereby deliver correspondingly good results. If one temperature is not replaced by the other temperature, it is preferably at least plausibilized by the other rotor temperature.
  • Rotor temperature is replaced. Especially when the phase voltage is very low or in the range of low speeds, for example in the partial load range, the temperature estimate based on the reactive power is no longer optimally feasible. In this operating range, the rotor temperature is dependent better to identify losses. Because the first rotor temperature in this operating range is then replaced by the second rotor temperature, it is ensured that only one rotor temperature continues to be too
  • Rotor temperature system-related errors are determined and stored in a map depending on reactive power.
  • system-related errors are determined in the built-with telemetry electrical machine and stored as a map accordingly.
  • Electric machines that correspond to the telemetry-equipped electric machine, the map can also be based.
  • reactive power can close to the first rotor temperature by using the map.
  • the second rotor temperature is plausibilized by the first rotor temperature when the electric machine is operated in an operating range in which the first
  • Rotor temperature is determined by the method described above sufficiently accurate. As a result, for example, errors can be detected in the system and the robustness of the temperature detection can be increased.
  • the first rotor temperature is replaced by the second rotor temperature, wherein the electric machine with a
  • Alternating current is excited to determine an electrical resistance of the electric machine, and wherein the second rotor temperature in dependence on the electrical resistance as a significant loss for the
  • Rotor temperature is determined.
  • another method for determining the rotor temperature is introduced, in which the second
  • Rotor temperature is considered to be the relevant, and wherein the electrical machine is operated in the manner of a transformer to generate losses. At standstill, the methods for determining the rotor temperature depending on the reactive power or losses are not feasible feasible. By the operation in the manner of a transformer, so by a Electrical excitation is achieved that losses occur, but without generating a torque. As a result, the rotor temperature can be determined safely and sufficiently accurately even at standstill.
  • the detected values are then deposited, in particular, in a characteristic map which can be accessed during operation of the electric machine.
  • a temperature change is determined as a function of the losses and used as a limit value for the determination of the first rotor temperature.
  • a limit is set by the loss-based method for determining the rotor temperature for carrying out the method for determining the rotor temperature as a function of the reactive powers.
  • the device according to the invention with the features of claim 8 is characterized by a specially prepared control unit, which is designed to carry out the method according to the invention.
  • the computer program according to the invention with the features of claim 9 provides that all steps of the method according to the invention are carried out when it runs on a computer.
  • the computer program product according to the invention having the features of claim 10 with a program code stored on a machine-readable carrier executes the method according to the invention when the program is run on a computer.
  • FIG. 1 shows a method for determining the rotor temperature of an electrical machine in different operating ranges
  • FIG. 2 shows the determination of a first rotor temperature as a function of
  • FIG. 3 shows an adaptation of the determination of the first rotor temperature
  • FIG. 4 shows a method for determining a second rotor temperature in FIG
  • FIG. 5 shows a method for determining the second rotor temperature in FIG
  • FIG. 1 shows an advantageous method for operating an asynchronous electrical machine with which a rotor temperature of the asynchronous machine is to be determined.
  • the process provides three process parts I, II and III, of which at least the process parts I and II are carried out simultaneously.
  • the three process parts I, II and III are controlled by a control unit S and evaluated to determine a rotor temperature 9 r F.
  • the first method part I is an electromagnetic model for determining a first rotor temperature i9 r Fl. This method is based on a comparison between the calculated reactive power
  • the voltage setpoint is preferably used by a current controller of the electric machine as voltage actual value.
  • the difference between voltage reference and voltage actual value is to be understood as a voltage error.
  • systemic errors such as
  • Motor parameter error or current sensor error to be considered.
  • the total resultant error is in turn dependent on operating points or operating ranges of the asynchronous machine and leads to corresponding errors in the determination of the rotor temperature.
  • phase voltage for example in the partial load range of the electric machine or in the range in which the speed is very low, the determination of the rotor temperature can be inaccurate only by the method I.
  • the method part II relates to a thermal model for determining a second rotor temperature r Th .
  • the thermal model requires losses or loss values as input variables. The accuracy of the loss calculation has a significant influence on the determined rotor temperature. A precise analytical calculation or experimental determination of losses of the asynchronous machine is very complex. In operation, an error in the determination of the rotor temperature is cumulative and ever greater.
  • the method in FIG. 1 now proposes a clever combination of the two partial methods I and II, which results in that the rotor temperature 3 r Fu can be determined very accurately.
  • System-related errors in the method part I are first determined using a prototype machine of the electric machine constructed using telemetry and stored as a characteristic field.
  • the first rotor temperature 3 r F1 can be determined by an adaptation (Adapt.) And by the comparison of the reactive power.
  • the thermal model (process part II) runs parallel to the process part I and at the same time supplies an estimated temperature change as limitation for the adaptation (Adapt.) In process part I (Limit).
  • the determined first rotor temperature is recorded with that in the second method part II
  • the third process part III is for an operating state of the electrical
  • Process part III is therefore provided that the electrical machine is acted upon in the manner of a transformer with an energized current, the
  • Rotor temperature & r (Stimult) is then used as the initial value for the thermal model of process step II (Setlnit).
  • the control unit S decides which rotor temperature from which
  • Estimation method in the respective current operating point or operating range is sufficiently accurate or suitable and also performs the aforementioned plausibility of the rotor temperatures.
  • the first process part I or the reactive power-based flow model can be explained as follows. For u s > u s min the following voltage equations and
  • Equation 3 The left side of Equation 3 concerns the voltage and current magnitude.
  • the right side of Equation 3 concerns the current, flux, and motor parameters. It is assumed that the rotor resistance is the only parameter that depends on the rotor temperature. If the information about the rotor temperature is wrong, for example due to incorrect flux coordinates, then the dq components in Equation 4 and in reality no longer match.
  • Equation 4 is then not equal to zero. In this case, the estimated
  • Rotor resistance or the first rotor temperature are adapted until the equation 4 is correct again.
  • equation 4 is correct again.
  • ⁇ rd flux linkage on the d-axis (rotor flux coordinate)
  • L m main inductance
  • L m stator leakage inductance
  • Z OT stray inductance
  • x s: stator
  • x r: rotor
  • NTC measured stator temperature (NTC sensor)
  • ⁇ phase angle between voltage and current vector
  • Isq-R current stator q-axis Real
  • Isq-M current stator q-axis model
  • Isd-R current stator d-axis Real
  • Isd-M current stator d-axis model
  • R r , 2o ° c is the rotor resistance at 20 ° C and a r , 2 o ° c is the resistance-temperature coefficient of rotor conductors.
  • the loss-based thermal model according to method part II applies in the present case to:
  • Process part I only voltage target values are used.
  • Process part II is thus the thermal model used, as shown in FIG.
  • Losses of the electrical machine can be determined in advance either by analytical calculation or by means of measurements and then stored as a map depending on operating points or operating ranges.
  • the transmission functions Zu, Z 22 , Z 12 and Z 2 i are preferably modeled as a PT1 element, or as a higher-order element for better accuracy.
  • the parameters of the transfer functions can be identified by the losses of the measured or simulated temperature profiles. It is also advantageous if a cooling temperature 3 c is taken into account. If the cooling temperature is not available, it can be calculated by the integration of the difference between the last rotor temperature 3 S and the measured stator temperature & s NTC :
  • stator and rotor temperatures are then:
  • the third process part III takes into account the operating state in which the electric machine is at a standstill. In this case, the methods according to I and II do not work.
  • the asynchronous machine is operated like a transformer. For this purpose, a sinusoidal current is excited in the d-axis of the electric machine. At a higher frequency, a relationship can be established between the electrical size and resistances of the electrical machine: costp ⁇ R r (Eq. 10)
  • the rotor temperature & r St is ultimately determined by method part II according to Equation 6.
  • FIG. 5 shows a simplified illustration of the third method part III. The following abbreviations also apply: /: current amplitude (current sensor)
  • R s stator resistance, temperature dependence can be measured by
  • Stator temperature (NTC sensor in the winding) can be compensated or online in inverter with the following eq. To be determined: R s «H-.
  • the control unit now selects the correct process part I, II or III as a function of the current operating range of the electrical machine Determine the rotor temperature 3 r Fu for the plausibility checks and combine the results to determine a single plausible signal for the rotor temperature, as shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Rotortemperatur einer elektrischen Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, wobei die Rotortemperatur zumindest in Abhängigkeit von Blindleistungen und/oder in Abhängigkeit von Verlusten der elektrischen Maschine bestimmt wird. Es ist vorgesehen, dass eine erste Rotortemperatur in Abhängigkeit von den Blindleistungen bestimmt und durch eine zweite, in Abhängigkeit von den Verlusten bestimmte Rotortemperatur in Abhängigkeit von einem Betriebsbereich der elektrischen Maschine plausibilisiert oder ersetzt wird.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Rotortemperatur,
Computerprogramm, Computerprogramm- Produkt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Rotortemperatur einer elektrischen Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, wobei die
Rotortemperatur zumindest in Abhängigkeit von Blindleistungen und/oder in Abhängigkeit von Verlusten der elektrischen Maschine bestimmt wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung sowie ein
Computerprogramm und ein Computerprogramm-Produkt.
Stand der Technik
Die Rotortemperatur einer Asynchronmaschine stellt eine wichtige Information sowohl für die Drehmomentgenauigkeit bei einer feldorientierten Regelung als auch für den Temperaturschutz der elektrischen Maschine dar. Aus
Kostengründen wird ein Telemetriesystem zum Messen der Rotortemperatur im Serieneinsatz in der Regel nicht eingesetzt. Üblicherweise wird daher die Rotortemperatur durch Modellberechnungen bestimmt. Bekannt ist es dabei, die Rotortemperatur durch ein elektromagnetisches Modell, das die Rotortemperatur in Abhängigkeit von Blindleistungen der elektrischen Maschine bestimmt, oder in Abhängigkeit von einem thermischen Modell, das die Rotortemperatur in Abhängigkeit von Verlusten bestimmt, ermittelt wird. Das elektromagnetische Modell beruht auf dem Abgleich zwischen einer berechneten Blindleistung aus Phasenspannung und Strom und einer berechneten Blindleistung aus einem Flussmodell, das von Motorparametern, Statorfrequenz und Strom, abhängt. Eine Kombination dieser Methoden, um deren Einsatzbereich zu erweitern, ist ebenfalls bereits bekannt. Das thermische Modell benötigt Verluste als Eingangswerte, wobei die
Genauigkeit der Verlustberechnung einen wesentlichen Einfluss auf die geschätzte beziehungsweise bestimmte Rotortemperatur hat. Eine genaue analytische Berechnung oder die experimentelle Ermittlung von Verlusten in der elektrischen Maschine, insbesondere in der Asynchronmaschine, ist jedoch sehr aufwändig.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Nachteile der bekannten Verfahren überwunden und eine Möglichkeit zur Rotortemperaturbestimmung bereitgestellt wird, die eine sichere und ausreichend genaue Bestimmung der Rotortemperatur in jedem
Betriebszustand oder Betriebsbereich der elektrischen Maschine gewährleistet. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass eine erste Rotortemperatur in Abhängigkeit von der Blindleistung bestimmt und durch eine zweite, in
Abhängigkeit von den Verlusten bestimmte Rotortemperatur in Abhängigkeit von einem Betriebsbereich der elektrischen Maschine plausibilisiert oder ersetzt wird. Die beiden zuvor genannten Methoden zur Rotortemperaturbestimmung werden also auf eine besondere Art und Weise miteinander kombiniert, wobei in
Abhängigkeit vom Betriebsbereich entweder die erste oder die zweite
Rotortemperatur als die zu ermittelnde Rotortemperatur bestimmt wird. Hierdurch kann durch eine geschickte Vorgabe der Betriebsbereiche gewährleistet werden, dass die Verfahren in den jeweils für sie optimalen Betriebsbereichen arbeiten und dadurch entsprechend gute Ergebnisse liefern. Wird die eine Temperatur nicht durch die andere Temperatur ersetzt, so wird sie vorzugsweise durch die andere Rotortemperatur zumindest plausibilisiert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Rotortemperatur in einem Teillastbetriebsbereich durch die zweite
Rotortemperatur ersetzt wird. Besonders wenn die Phasenspannung sehr niedrig ist oder im Bereich von niedrigen Drehzahlen, zum Beispiel im Teillastbereich, ist die Temperaturschätzung auf Basis der Blindleistungen nicht mehr optimal durchführbar. In diesem Betriebsbereich ist die Rotortemperatur in Abhängigkeit von Verlusten besser zu ermitteln. Dadurch, dass die erste Rotortemperatur in diesem Betriebsbereich dann durch die zweite Rotortemperatur ersetzt wird, wird gewährleistet, dass auch weiterhin nur eine Rotortemperatur als zu
beobachtende Größe ausgegeben wird, die aussagekräftig ist.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Bestimmung der ersten
Rotortemperatur systembedingte Fehler ermittelt und in einem Kennfeld in Abhängigkeit von Blindleistungen gespeichert werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass systembedingte Fehler in der mit Telemetrie ausgebauten elektrischen Maschine ermittelt und als Kennfeld entsprechend gespeichert werden. Elektrische Maschinen, die der mit Telemetrie versehenen elektrischen Maschine entsprechen, kann das Kennfeld ebenfalls zugrunde gelegt werden. In Abhängigkeit von dann erfassten oder ermittelten Blindleistungen lässt sich auf die erste Rotortemperatur durch Benutzung des Kennfeldes schließen.
Vorteilhafterweise ist weiterhin vorgesehen, dass die zweite Rotortemperatur durch die erste Rotortemperatur plausibilisiert wird, wenn die elektrische Maschine in einem Betriebsbereich betrieben wird, in welchem die erste
Rotortemperatur durch das oben beschriebene Verfahren ausreichend genau ermittelbar ist. Hierdurch können beispielsweise Fehler im System entdeckt und die Robustheit der Temperaturerfassung erhöht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Stillstand der elektrischen Maschine die erste Rotortemperatur durch die zweite Rotortemperatur ersetzt wird, wobei die elektrische Maschine mit einem
Wechselstrom angeregt wird, um einen elektrischen Widerstand der elektrischen Maschine zu bestimmen, und wobei die zweite Rotortemperatur in Abhängigkeit von dem elektrischen Widerstand als maßgeblicher Verlust für die
Rotortemperatur bestimmt wird. Es wird somit ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur eingeführt, bei welchem die zweite
Rotortemperatur als die maßgebliche erachtet wird, und wobei die elektrische Maschine in der Art eines Transformators betrieben wird, um Verluste zu erzeugen. Im Stillstand sind die Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur in Abhängigkeit von der Blindleistung oder von Verlusten nicht sinnvoll durchführbar. Durch den Betrieb in der Art eines Transformators, also durch eine elektrische Anregung wird erreicht, dass Verluste entstehen, ohne dass jedoch ein Drehmoment erzeugt wird. Dadurch kann die Rotortemperatur auch im Stillstand sicher und ausreichend genau bestimmt werden.
Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, dass systembedingte Fehler vor
Inbetriebnahme der elektrischen Maschine gemessen beziehungsweise durch Messungen erfasst werden. Wie zuvor bereits erwähnt, werden die erfassten Werte dann insbesondere in einem Kennfeld hinterlegt, auf das im Betrieb der elektrischen Maschine zurückgegriffen werden kann.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass in Abhängigkeit von den Verlusten eine Temperaturänderung ermittelt und als Grenzwert für die Bestimmung der ersten Rotortemperatur verwendet wird. Hierbei ist also vorgesehen, dass durch das verlustbasierte Verfahren zur Bestimmung der Rotortemperatur eine Grenze für die Durchführung des Verfahrens zum Bestimmen der Rotortemperatur in Abhängigkeit von den Blindleistungen gesetzt wird. Die beiden verschiedenen Verfahrenswege beeinflussen sich somit gegenseitig und es entsteht ein intelligentes System, das das sichere Erfassen der relevanten Rotortemperatur gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 zeichnet sich durch ein speziell hergerichtetes Steuergerät aus, das dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn es auf einem Computer abläuft.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm-Produkt mit den Merkmalen des Anspruchs 10 mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen Figur 1 ein Verfahren zum Bestimmen der Rotortemperatur einer elektrischen Maschine in unterschiedlichen Betriebsbereichen,
Figur 2 das Ermitteln einer ersten Rotortemperatur in Abhängigkeit von
Blindleistungen,
Figur 3 eine Anpassung der Ermittlung der ersten Rotortemperatur,
Figur 4 ein Verfahren zum Ermitteln einer zweiten Rotortemperatur in
Abhängigkeit von Verlusten und
Figur 5 ein Verfahren zur Bestimmung der zweiten Rotortemperatur im
Stillstand.
Figur 1 zeigt ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Asynchronmaschine, mit welchem eine Rotortemperatur der Asynchronmaschine bestimmt werden soll. Das Verfahren sieht drei Verfahrensteile I, II und III vor, von denen zumindest die Verfahrensteile I und II gleichzeitig durchgeführt werden. Die drei Verfahrensteile I, II und III werden durch eine Steuereinheit S gesteuert und ausgewertet, um eine Rotortemperatur 9r F zu bestimmen.
Bei dem ersten Verfahrensteil I handelt es sich um ein elektromagnetisches Modell zur Bestimmung einer ersten Rotortemperatur i9r Fl Dieses Verfahren beruht auf einem Abgleich zwischen der berechneten Blindleistung aus
Phasenspannung und Strom und einer berechneten Blindleistung aus einem Flussmodell, mit Motorparameter, Statorfrequenz und Strom als
Eingangsgrößen. Da die Phasenspannung häufig nicht direkt messbar ist, wird vorzugsweise der Spannungs-Sollwert von einem Stromregler der elektrischen Maschine als Spannungs- Ist-Wert verwendet. Der Unterschied zwischen Spannungs-Soll- und Spannungs- Ist-Wert ist als Spannungsfehler zu verstehen. Außer dem Spannungsfehler sind auch systembedingte Fehler wie
Motorparameterfehler oder Stromsensorfehler zu berücksichtigen. Der sich dadurch insgesamt ergebende Fehler ist wiederum von Betriebspunkten beziehungsweise Betriebsbereichen der Asynchronmaschine abhängig und führt zu entsprechenden Fehlwerten bei der Bestimmung der Rotortemperatur.
Insbesondere wenn die Phasenspannung, zum Beispiel im Teillastbereich der elektrischen Maschine oder im Bereich, in welchem die Drehzahl sehr niedrig ist, kann die Bestimmung der Rotortemperatur nur durch das Verfahren I ungenau sein.
Der Verfahrensteil II betrifft ein thermisches Modell zur Bestimmung einer zweiten Rotortemperatur r Th . Das thermische Modell benötigt Verluste beziehungsweise Verlustwerte als Eingangsgrößen. Die Genauigkeit der Verlustberechnung hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die daraus ermittelte Rotortemperatur. Eine genaue analytische Berechnung oder experimentale Ermittlung von Verlusten der Asynchronmaschine ist sehr aufwändig. Im Betrieb wird ein Fehler in der Ermittlung der Rotortemperatur kumuliert und immer größer.
Dass Verfahren in Figur 1 schlägt nun eine geschickte Kombination der beiden Teilverfahren I und II vor, das dazu führt, das die Rotortemperatur 3r Fu sehr genau bestimmbar ist.
Systembedingte Fehler in dem Verfahrensteil I werden zunächst mit einer in einer mit Telemetrie aufgebauten Prototypmaschine der elektrischen Maschine ermittelt und als Kennfeld gespeichert. Für weitere Serienmaschinen der elektrischen Maschine mit einer gleichen elektromagnetischen Auslegung oder Telemetrie kann die erste Rotortemperatur 3r F1 durch eine Adaption (Adapt.) und durch den Abgleich der Blindleistungen ermittelt werden.
Das thermische Modell (Verfahrensteil II) läuft parallel zu dem Verfahrensteil I und liefert gleichzeitig eine geschätzte Temperaturänderung als Begrenzung für die Adaption (Adapt.) in Verfahrensteil I (Limit). In dem Betriebsbereich, in welchem der Schätzwert nach Verfahrensteil I zuverlässig ist, wird die ermittelte erste Rotortemperatur mit dem im zweiten Verfahrensteil II erfassten
Rotortemperatur plausibilisiert (SetPlausy), so dass ein kumulativer Fehler minimiert bleibt. Der dritte Verfahrensteil III ist für einen Betriebszustand der elektrischen
Maschine vorgesehen, in welchem der Rotor der elektrischen Maschine stillsteht und keine Last anliegt. In diesem Betriebszustand sind die Verfahrensteile I und II nicht funktionsfähig, da die benötigten Eingangsgrößen fehlen. Im
Verfahrensteil III ist daher vorgesehen, dass die elektrische Maschine in der Art eines Transformators mit einem angeregten Strom beaufschlagt wird, der
Verluste in der elektrischen Maschine erzeugt. Die dadurch geschätzte
Rotortemperatur &r(Stimult) wird dann als Anfangswert für das thermische Modell von Verfahrensschritt II verwendet (Setlnit).
Die Steuereinheit S entscheidet, welche Rotortemperatur aus welchem
Schätzverfahren in dem jeweiligen aktuellen Betriebspunkt oder Betriebsbereich ausreichend genau beziehungsweise geeignet ist und führt dabei auch die zuvor genannte Plausibilisierung der Rotortemperaturen durch. Durch die
Informationsfusion in der Steuereinheit S von den verschiedenen
Verfahrensteilen I, II und III und durch ihre Koordination sowie Plausibilisierung kann eine zuverlässige Rotortemperaturschätzung der Asynchronmaschine, insbesondere für Elektrofahrzeuge realisiert werden. Der erste Verfahrensteil I beziehungsweise das auf Blindleistungen beruhende Flussmodell kann wie folgt erläutert werden. Für us>us.min werden folgende Spannungsgleichungen und
Berechnungen der Blindleistung vorgegeben: usd = R sd + -(aL, - a>, * oLsisq + ^ * - {Wrd ) (Gl. 1 )
rd ,
Figure imgf000008_0001
L m d
Usq lsd Usd lsq ^ (¥ rd X scl Rrcorrect ->0
define : dQt Rrcorrect ->0
Figure imgf000009_0001
(Gl. 4)
Figure imgf000009_0002
Die linke Seite von Gleichung 3 betrifft die Spannung und Stromgröße. Die rechte Seite von Gleichung 3 betrifft den Strom, Fluss, sowie Motorparameter. Es wird angenommen, dass der Rotorwiderstand der einzige Parameter ist, der von der Rotortemperatur abhängig ist. Falls die Information über die Rotortemperatur falsch ist, beispielsweise durch falsche Flusskoordinaten, passen dann die dq- Komponenten in Gleichung 4 und in der Realität nicht mehr zusammen. Die
Gleichung 4 ist dann nicht gleich Null. In diesem Fall muss der geschätzte
Rotorwiderstand beziehungsweise die erste Rotortemperatur adaptiert werden, bis die Gleichung 4 wieder stimmt. Hierzu werden insbesondere die zuvor
bestimmten systembedingten Fehler, insbesondere in der Spannung, dem Strom sowie der Motorparameter, berücksichtigt und als Kennfeld dQsys_err ^0
gespeichert werden. Für weitere Serienmaschinen mit der gleichen
elektromagnetischen Auslegung ohne Telemetrie wird die erste Rotortemperatur
durch die Adaption (Adapt.) von dQn0rm
Rrcorrect > d *"O* sys_err r O " ermittelt. Die plausible Temperaturänderung wird von einem thermischen Modell des zweiten
Teilverfahrens II geliefert und als der Grenzwert für die Adaption (Adapt.)
eingesetzt. Das Funktionsprinzip ist in den Figuren 2 und 3 gezeigt.
Es gelten folgende Formelzeichen und Abkürzungen: ψ = Flussverkettung
ψ rd = Flussverkettung auf der d-Achse (Rotorfluss-Koordinate)
Lm = Hauptinduktivität Lm = Stator-Streuinduktivität
L
σ = Stator-Streuziffer: σ , = ^L
m
ZOT = Streuinduktivität, x=s: Stator, x=r: Rotor
L
σ, = Rotor-Streuziffer: σ r = L
m
σ = 1 = Gesamte Streuziffer
Figure imgf000010_0001
Qmr,Qmr = Rotorflusswinkel, geschätzter Rotorflusswinkel
9x,9x,A9x = Temperatur, geschätzte Temperatur, Temperaturhub x=r: Rotor, x=s: Stator
&sNTC = gemessene Statortemperatur (NTC-Sensor)
dQ„orm = Normierte Blindleistungsdifferenz
dQsys err = Systembedingte Fehler in der Berechnung von Blindleistungsdifferenz kp, kj = P-Anteil und I-Anteil-Verstärkung eines Pl-Reglers (Adaptionsgesetz)
U = Spannungsamplitude (Ausgang-Stromregler)
i = Stromamplitude (Stromsensor)
φ = Phasenwinkel zwischen Spannung- und Stromzeiger
RX,RX = Widerstand, geschätzter Widerstand, x=r: Rotor, x=s: Stator
Ploss = Verlustleistung, x=r: Rotor, x=s: Stator
Ζη ,Ζϋ = Thermische Impedanz
n = Drehzahl
us = Spannung-Stator
is = Is = Strom-Stator
d = d-Achse
q = q-Achse
Isq-R = Strom Stator q-Achse Real
Isq-M = Strom Stator q-Achse Model
Isd-R = Strom Stator d-Achse Real
Isd-M = Strom Stator d-Achse Model
Die Rotortemperatur &r Th ist dann durch den folgenden Zusammenhang beschrieben:
Figure imgf000011_0001
Wobei Rr,2o°c der Rotorwiderstand bei 20°C und ar,2o°c der Widerstands- Temperatur-Koeffizient von Rotorleitern ist.
Das verlustbasierte thermische Modell gemäß Verfahrensteil II gilt vorliegend für:
In einem Betrieb, in welchem weniger Spannung angefordert wird, zum Beispiel bei niedrigen Drehzahlen in einem Teillastbetriebsbereich, ist der
Spannungsfehler relativ groß, da für das Bestimmungsverfahren des ersten
Verfahrensteil I nur Spannungs-Soll-Werte verwendet werden. Für den zweiten
Verfahrensteil II kommt also das thermische Modell zum Einsatz, wie es in Figur
4 vereinfacht dargestellt ist. Verluste der elektrischen Maschine können vorab entweder durch analytische Rechnung oder mithilfe von Messungen ermittelt und dann als Kennfeld in Abhängigkeit von Betriebspunkten oder Betriebsbereichen abgespeichert werden. Die Übertagungsfunktionen Zu, Z22, Z12 und Z2i werden bevorzugt als PT1 -Glied modelliert, beziehungsweise als Glied höherer Ordnung für bessere Genauigkeit. Die Parameter von den Übertragungsfunktionen können anhand der Verluste der gemessenen oder simulierten Temperaturverläufe identifiziert werden. Vorteilhaft ist es auch, wenn eine Kühlungstemperatur 3c berücksichtigt wird. Fall die Kühlungstemperatur nicht vorhanden ist, kann sie durch die Integration von der Differenz zwischen der letzten Rotortemperatur 3S und gemessener Statortemperatur &s NTC berechnet werden:
Figure imgf000011_0002
Die ermittelten Stator- und Rotortemperaturen sind dann:
3s = A3s + 3c (Gl. 8) s, = s, + sc (Gl. 9) In dem Betriebsbereich, in welchem der erste Verfahrensteil I zuverlässige Ergebnisse liefert, wird die erste Rotortemperatur als relevante Rotortemperatur genutzt, um die Schätzung in dem thermischen Modell des zweiten
Verfahrensteils II zu korrigieren, damit der kummulative Fehler minimiert wird, wie auch in Figur 1 gezeigt. Das Funktionsprinzip ist dabei in Figur 4 gezeigt.
Der dritte Verfahrensteil III berücksichtigt den Betriebszustand, in welchem sich die elektrische Maschine im Stillstand befindet. In diesem Fall funktionieren die Verfahren gemäß I und II nicht. Um die Rotortemperatur trotzdem ermitteln zu können, wird die Asynchronmaschine wie ein Transformator betrieben. Hierzu wird ein sinusförmiger Strom in der d-Achse der elektrischen Maschine angeregt Bei höherer Frequenz kann ein Zusammenhang zwischen der elektrischen Größe und Widerständen der elektrischen Maschine hergestellt werden: costp ■Rr (Gl. 10)
Figure imgf000012_0001
Rr ~ (cos<p * f - Rs )* {\ + or )2 (Gl. 1 1 )
Die Rotortemperatur &r St ist letztendlich durch den Verfahrensteil II gemäß Gleichung 6 zu bestimmen.
Figur 5 zeigt hierzu eine vereinfachte Darstellung des dritten Verfahrensteils III. Dabei gelten außerdem folgende Abkürzungen: / : Stromamplitude (Stromsensor)
U : Spannungsamplitude (Ausgangs-Stromregler)
φ : Phasenwinkel zwischen Spannung- und Stromzeiger
Rs : Statorwiderstand, Temperaturabhängigkeit kann durch gemessene
Statortemperatur (NTC-Sensor in der Wicklung) kompensiert werden oder online in Inverter mit folgender Gl. Ermittelt werden: Rs « H- .
Die Steuereinheit wählt nun in Abhängigkeit von dem aktuellen Betriebsbereich der elektrischen Maschine den richtigen Verfahrensteil I, II oder III zum Bestimmen der Rotortemperatur 3r Fu für die Plausibilisierungen durch und führt die Ergebnisse zusammen, um ein einziges plausibilisiertes Signal für die Rotortemperatur zu bestimmen, wie in Figur 1 gezeigt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen einer Rotortemperatur einer elektrischen
Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, wobei die Rotortemperatur zumindest in Abhängigkeit von Blindleistungen und/oder in Abhängigkeit von Verlusten der elektrischen Maschine bestimmt wird, dadurch
gekennzeichnet, dass eine erste Rotortemperatur in Abhängigkeit von den Blindleistungen bestimmt und durch eine zweite, in Abhängigkeit von den Verlusten bestimmte Rotortemperatur in Abhängigkeit von einem
Betriebsbereich der elektrischen Maschine plausibilisiert oder ersetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Rotortemperatur in einem Teillastbetriebsbereich durch die zweite
Rotortemperatur ersetzt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der ersten Rotortemperatur systembedingte Fehler ermittelt und in einem Kennfeld in Abhängigkeit von zumindest einer Blindleistung gespeichert werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Rotortemperatur durch die erste
Rotortemperatur plausibilisiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die systembedingten Fehler vor Inbetriebnahme der elektrischen Maschine gemessen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass im Stillstand der elektrischen Maschine die erste Rotortemperatur durch die zweite Rotortemperatur ersetzt wird, wobei die elektrische Maschine mit einem Wechselstrom angeregt wird, um einen elektrischen Widerstand der elektrischen Maschine zu bestimmen, und wobei die zweite Rotortemperatur in Abhängigkeit von dem elektrischen Widerstand bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den Verlusten eine
Temperaturänderung ermittelt und als Grenzwert für die Bestimmung der ersten Rotortemperatur verwendet wird.
8. Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein speziell hergerichtetes Steuergerät, das dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
9. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt, wenn das Programm auf einem Computer läuft.
10. Computerprogramm-Produkt, mit einem auf einem maschinenlesbaren
Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
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