WO2020249557A1 - Motordrehrichtungserkennung bei einphasigen umrichtern - Google Patents

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Definitions

  • the converter regulates an alternating current that flows through the windings of the multiphase, usually three-phase, electric motor so that a torque is generated there.
  • the problem to be solved arises from the architectural approach of solving the requirement for non-failure in the event of a single failure by means of a multilane approach.
  • Multilane means that there is no or more than one star point that are separated from each other. This contrasts with the well-known approach that a three-phase machine has a star point.
  • the advantage of such a multilane topology is that the failure of a winding system - regardless of whether it is in the motor or in the converter feeding the respective winding system - does not mean a failure of the drive power, but rather a reduction in the maximum power. In other words, a technical error does not lead to a total failure of the drive function.
  • One embodiment of the multilane approach to which reference is made in this application is a three-phase electric motor with three galvanically separated, single-phase winding systems.
  • the implementation of the winding system in the electric motor is of secondary importance for the invention.
  • the independence of the three feeding converters is a particular requirement. Regardless of which single fault is assumed in the converter, it must not lead to the failure of more than one converter.
  • the two sensor units are supplied from different batteries.
  • the batteries are preferably selective HV batteries and the sensor units are equipped with self-starting power packs.
  • the sensor units start up as soon as a minimum voltage is exceeded and then continuously provide measured values.
  • the individual sensor units are thus self-sufficient.
  • the arrangement can therefore have two DC voltage sources that supply the converter with electrical energy.
  • the DC voltage source can preferably be a battery, in particular an HV battery.
  • a self-starting power supply unit can be formed in the sensor unit, which supplies the sensor unit with voltage.
  • the sensor units are coupled to the converters either with selective galvanic isolating elements (eg using coreless transformer technology) or with the aid of optical waveguides.
  • the arrangement can be arranged in a vehicle.
  • Fig. 3 is a block diagram of an arrangement with three einphasi gene converters and
  • Fig. 3 shows a compared to Fig. 2 a more detailed block diagram of an arrangement with three single-phase converters 3.
  • the converters 3 receive the motor setpoint 3.1, such as speed and torque.
  • Each of the three converters 3 ver provides a phase of the electric motor 1 with the currents 1.1, 1.2 and 1.3, accordingly.
  • the actual value of the current of the first phase II, the current of the second phase 12 and the current of the third phase 13 is determined.
  • Electric motor 1 supplied with electrical energy.
  • the electric motor 1 drives a propeller 6. Both are part of an electrical thrust generation unit.
  • the converter can of course also supply other electrical components.

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Abstract

Die Erfindung gibt eine Anordnung zur Drehrichtungserkennung eines mehrphasigen Elektromotors (1), aufweisend: mehrere einphasige Umrichter (3), die je eine Phase des Elektromotors (1) mit Strom (1.1, 1.2, 1.3) versorgen, zwei Sensoreinheiten (2), die ausgebildet sind, die Istwerte (I1, I2, I3) der Phasenströme des Elektromotors (1) zu ermitteln und an die Umrichter (3) zu übertragen, und eine Kontroll- und Steuereinheit (3.2) in jedem Umrichter (3), die ausgebildet und programmiert ist, aus den Istwerten (I1, I2,I3) die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors (1) zu ermitteln. Ein Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung wird ebenfalls angegeben.

Description

Beschreibung
Motordrehrichtungserkennung bei einphasigen Umrichtern
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mehreren einphasi gen Umrichtern und Drehrichtungserkennung eines mehrphasigen Elektromotors. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung.
Hintergrund der Erfindung
Ein gattungsgemäßer Umrichter besteht aus einer Leistungsend stufe (= Halbleiter, Zwischenkreiskondensator, Treiberschal tung sowie Stromschienen und Kühlung) , einer die Leistungs endstufe ansteuernden Kontrolleinheit (pC, wandelt den Soll wert in Takte um), mehrere Sensoren (insbesondere zur Messung von Strom, Spannung, Temperatur) , die den Zustand des Umrich ters und des Elektromotors messen und der Kontrolleinheit zur Verfügung stellen, sowie eine Spannungsversorgung und ggf. einer Überwachungseinheiten zu Schutzzwecken. Der Umrichter regelt einen Wechselstrom, der die Wicklungen des mehrphasi gen, üblicherweise dreiphasigen, Elektromotors durchfließt, damit dort ein Drehmoment erzeugt wird.
Die Strommessung der Phasen, sowie die Spannungsmessung am Zwischenkreis sind dabei die wichtigsten sensorbasierten Messgrößen, damit die Kontrolleinheit aus den Sollwerten die Takte derart berechnen kann, so dass der Elektromotor mit ei nem gewünschten Drehmoment in eine gewünschte Richtung eine gewünschte Drehzahl einnimmt.
Insbesondere die Drehzahl und die Rotorposition werden bei e- Autos bekannterweise mittels einem am Elektromotor befestig ten Sensoreinheit, üblicherweise ein Resolver, ermittelt. Bei Anwendungen in der Luftfahrt wird dies durch sensorlose Rege lung mittels DC-Spannungs- und AC-Strommessung realisiert. Bei letzterem ist es prinzipbedingt wichtig, alle drei Pha senströme zu kennen.
Das zu lösende Problem ergibt sich aus dem architektureilen Ansatz, die Forderung nach Nichtausfall im Einfachfehlerfall , mittels eines Multilaneansatzes zu lösen. Multilane bedeutet, dass es keinen oder mehr als einen Sternpunkt gibt, die von einander getrennt sind. Dies steht dem bekannten Ansatz ge genüber, dass eine dreiphasige Maschine einen Sternpunkt hat. Vorteil einer solchen Multilane-Topologie ist, dass der Aus fall eines Wicklungssystems - egal ob im Motor oder in dem das jeweilige Wicklungssystem speisenden Umrichter - keinen Ausfall der Antriebsleistung bedeutet, sondern maximal eine Reduktion der Maximalleistung. Mit anderen Worten, ein Ein fachfehler führt nicht zum Totalausfall der Antriebsfunktion.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, mit der mehrphasige Elektromotoren, insbesondere bei Anwendungen in der Luftfahrt, zuverlässig mit elektrischer Energie versorgt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel des Multilane-Lösungsansatzes , auf das in dieser Anmeldung Bezug genommen wird, ist ein dreipha siger Elektromotor, mit drei galvanisch getrennten, einphasi gen Wicklungssystemen. Die Realisierung des Wicklungssystems in dem Elektromotor ist von untergeordneter Bedeutung für die Erfindung. Besondere Anforderung ist die Unabhängigkeit der drei speisenden Umrichter. Egal welcher Einfachfehler in dem Umrichter angenommen wird, er darf nicht zum Ausfall von mehr als einem Umrichter führen.
Die Anforderung hat zur Folge, dass die einphasigen Umrichter voneinander unabhängig agieren müssen. Das Problem, das sich dabei ergibt und Gegenstand der Erfindung ist, ist die Tatsa che, dass für ein geregeltes Drehfeld im Falle eines Perma nentmagnet-Synchronmotors die Rotorposition und dessen Dreh- richtung bekannt sein müssen, dies jedoch unter Annahme eines Verzichts auf jedwede direkte Lage- und Rotationsmessung (z.B. mittels Resolver) , nicht bestimmt werden kann. Denn da zu sind mindestens zwei Phasenstromsensoren, besser drei not wendig. Denn der einphasige Umrichter „kennt" nur sich selbst und seine eigene Phase.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Ein erster Aspekt der Erfindung besteht darin, die Architek tur eines gattungsgemäßen dreiphasigen Umrichters bei der Re duktion zu einphasigen Umrichtern aufzubrechen. Die Sensorik der Lastzustandsidentifikation wird nicht mehr dem Umrichter der jeweiligen Phase zugeordnet. Es wird vielmehr eine Sen soreinheit selektiv zu dem Elektromotor und den Umrichtern realisiert, wobei die Sensoreinheit in mehrfacher Ausführung realisiert ist (auch hier gilt: kein Einfachfehler darf zu Verlust der Antriebsleistung führen) und insbesondere die Mo torströme (ggf. auch Spannungen) aller Phasen misst, und al len Umrichtern zur Verfügung stellt.
Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechsel spannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleich- spannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Aus gangswechselspannung erzeugt wird.
Die Erfindung beansprucht eine Anordnung zur Drehrichtungser kennung eines mehrphasigen Elektromotors, aufweisend:
mehrere einphasige Umrichter, die je eine Phase des Elekt romotors mit Strom versorgen, zwei Sensoreinheiten, die ausgebildet sind, die Istwerte der Phasenströme des Elektromotors zu ermitteln und an die Umrichter zu übertragen, und
eine Kontroll- und Steuereinheit in jedem Umrichter, die ausgebildet und programmiert ist, aus den Istwerten die Drehrichtung und die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors zu ermitteln.
Die Erfindung bietet den Vorteil einer hohen Toleranz gegen über Teilausfällen einer elektrischen Antriebsanordnung.
In einer Weiterbildung können der Elektromotor dreiphasig ausgebildet und die Anzahl der Umrichter drei sein.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die beiden Sen soreinheiten aus verschiedenen Batterien versorgt. Vorzugs weise sind die Batterien selektive HV -Batterien und die Sen soreinheiten werden mit selbstanlaufenden Netzteilen be stückt. Die Sensoreinheiten laufen an, sobald eine Mindest spannung überschritten ist, und stellen dann dauerhaft Mess werte zur Verfügung. Damit sind die einzelnen Sensoreinheiten autark .
In einer Weiterbildung kann die Anordnung daher zwei Gleich spannungsquellen aufweisen, die die Umrichter mit elektri scher Energie versorgen.
In einer weiteren Ausprägung kann jede Sensoreinheit jeweils von einer der zwei Gleichspannungsquellen mit elektrischer Energie versorgt werden.
In einer Weiterbildung kann die Gleichspannungsquelle bevor zugt eine Batterie, insbesondere eine HV-Batterie, sein.
In einer Weiterbildung kann ein selbstanlaufendes Netzteil in der Sensoreinheit ausgebildet sein, das die Sensoreinheit mit Spannung versorgt. In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Kopplung der Sensoreinheiten zu den Umrichtern entweder mit selektiven galvanischen Trennelementen (z.B. in Coreless-Transformer Technologie) oder mit Hilfe von Lichtwellenleitern vorgenom men .
In einer Weiterbildung kann daher die Anordnung ein selekti ves galvanisches Trennelementen oder einen Lichtwellenleiter zur Datenverbindung der Sensoreinheit mit den Umrichtern auf weisen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Sensorwerte der Sensoreinheiten als digitaler Datenstrom, vorzugsweise als Delta-Sigma-Werte, zur Verfügung stehen.
Jeder Umrichter ist somit mit allen Phasenstromistwerten ver sorgt und kann eigenständig die Rotorlage und die Drehge schwindigkeit berechnen. Falls ein Umrichter ausfällt, „se hen" dies die anderen Umrichter und können bei Bedarf selek tiv reagieren. Fällt eine Sensoreinheit aus, werden die Um richter von der anderen Sensoreinheit weiter mit Istwerten der Phasenströme versorgt. Fällt eine Gleichstromquelle aus, fällt nur jene Sensoreinheit aus, die mit der entsprechenden Gleichspannungsquelle versorgt wird.
In einem letzten Aspekt der Erfindung kann die Anordnung in einem Fahrzeug angeordnet sein.
Unter Fahrzeug wird jede Art von Fortbewegungs- oder Trans portmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden. Ein Luftfahrzeug ist ein fliegendes Fahrzeug.
Die Erfindung beansprucht daher ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, mit einer erfindungsgemäßen Anordnung für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb. In einer Weiterbildung kann das Luftfahrzeug ein Flugzeug sein und einen den Elektromotor in Rotation versetzbaren Pro peller aufweisen.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen von Ausführungsbeispielen an hand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit einem dreipha sigen Umrichter gemäß Stand der Technik,
Fig. 2 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer Anord nung mit drei einphasigen Umrichtern,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Anordnung mit drei einphasi gen Umrichtern und
Fig. 4 ein Flugzeug mit einer Anordnung mit drei einphasigen Umrichtern .
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig . 1 zeigt ein Blockschaltbild einer gattungsgemäßen Anord nung mit einem dreiphasigen Umrichter 7 und einem dreiphasi gen Elektromotor 1. Der Umrichter 7 wird von einer Gleich spannungsquelle 4, beispielweise von einer 800 V Batterie, mit elektrischer Energie versorgt. Der Umrichter 7 weist ein Netzteil 7.4, eine Steuer- und Kontrolleinheit 7.2, eine End stufe 7.3 mit den schaltbaren Leistungshalbleitern und eine Sensoreinheit 2 zur Bestimmung der Stromistwerte II, 12, 13 des Elektromotors 1 auf.
Der Motorstromsollwert 7.1 wird der Steuer- und Kontrollein- heit 7.2 zugeführt. Der dreiphasige Umrichter 7 versorgt den Elektromotor 1 mit dem Strom 1.1 der ersten Phase, dem Strom 1.2 der zweiten Phase und dem Strom 1.3 der dritten Phase.
Fig . 2 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung mit drei einphasigen Umrichtern 3 gemäß der Erfin dung. Die Umrichter 3 speisen einen dreiphasigen Elektromotor 1 mit elektrischer Energie. Die elektrische Energie für die Umrichter 3 wird von einer oder mehreren Gleichspannungsquel len 4, bevorzugt eine Hochvolt Batterie, bereitgestellt. Die Istwerte der Motorströme II, 12, 13 werden redundant mit den beiden Sensoreinheiten 2 ermittelt und zur Regelung an die Umrichter 3 weitergegeben.
Fig . 3 zeigt ein gegenüber Fig . 2 detaillierteres Block schaltbild einer Anordnung mit drei einphasigen Umrichtern 3. Als Vorgabe erhalten die Umrichter 3 den Motorsollwert 3.1, wie Drehzahl und Drehmoment. Jeder der drei Umrichter 3 ver sorgt eine Phase des Elektromotors 1 mit den Strömen 1.1, 1.2 und 1.3, entsprechend. Mit Hilfe der beiden Sensoreinheiten 2 wird der Istwert des Stroms der ersten Phase II, des Stroms der zweiten Phase 12 und des Stroms der dritten Phase 13 er mittelt .
Die Istwerte der Ströme II, 12, 13 werden an die Steuer- und Kontrolleinheiten 3.2 der Umrichter 3 weitergeleitet. Die Steuer- und Kontrolleinheiten 3.2 ermitteln aus der Frequenz und der Phasenlage von mindestens zwei der drei Istwerte II, 12 und 13 die Drehrichtung und der Lagewinkel des Rotors des Elektromotors 1. Die galvanisch getrennte Verbindung zwischen den Sensoreinheiten 2 und den Umrichtern 3 wird mittels
Lichtwellenleiter 2.2 sichergestellt.
Zum sicheren Betrieb der Sensoreinheiten 2 werden diese aus nicht dargestellten unterschiedlichen Gleichspannungsquellen versorgt und die Sensoreinheiten 2 haben ein selbstanlaufen- des Netzteil 2.1, das in Betrieb geht, sobald eine Mindest spannung überschritten ist. Fig . 4 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luft fahrzeug 5, insbesondere ein Flugzeug, mit drei einphasigen Umrichtern 3 gemäß einer Anordnung nach Fig . 3 , die den
Elektromotor 1 mit elektrischer Energie versorgt. Der Elekt- romotor 1 treibt einen Propeller 6 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeugungseinheit. Der Umrichter kann na türlich auch andere elektrische Bauteile versorgen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Elektromotor
1.1 Strom der ersten Phase
1.2 Strom der zweiten Phase
1.2 Strom der dritten Phase
2 Sensoreinheit
2.1 selbstanlaufendes Netzteil
2.2 Lichtwellenleiter
3 einphasiger Umrichter
3.1 Motorstromsollwert
3.2 Steuer- und Kontrolleinheit
4 Gleichspannungsquelle, z.B. Batterie
5 Luftfahrzeug
6 Propeller
7 dreiphasiger Umrichter
7.1 Motorsollwert
7.2 Steuer- und Kontrolleinheit
7.3 Endstufe
7.4 Netzteil (= elektrische Versorgung)
11 Stromistwert erste Phase
12 Stromistwert zweite Phase
13 Stromistwert dritte Phase

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Drehrichtungserkennung eines mehrphasigen Elektromotors (1),
gekennzeichnet durch:
mehrere einphasige Umrichter (3), die je eine Phase des Elektromotors (1) mit Strom (1.1, 1.2, 1.3) versorgen, zwei Sensoreinheiten (2), die ausgebildet sind, die Ist werte (II, 12, 13) der Phasenströme des Elektromotors (1) zu ermitteln und an die Umrichter (3) zu übertragen, und eine Kontroll- und Steuereinheit (3.2) in jedem Umrichter (3), die ausgebildet und programmiert ist, aus den Istwer ten (II, 12, 13) die Drehrichtung und die Drehgeschwindig keit des Elektromotors (1) zu ermitteln.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektromotor (1) dreiphasig ausgebildet und die An zahl der Umrichter (3) drei ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch:
mindestens zwei Gleichspannungsquellen (4), die die Um richter (3) mit elektrischer Energie versorgen.
4. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede Sensoreinheit (2) von einer der zwei Gleichspan nungsquellen (4) mit elektrischer Energie versorgt wird.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Gleichspannungsquelle (4) eine Batterie ist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch: ein selbstanlaufendes Netzteil (2.1) der Sensoreinheit (2), das ausgebildet ist, die Sensoreinheit (2) mit Span nung zu versorgen.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch:
ein selektives galvanisches Trennelementen oder ein Licht wellenleiter (2.2) zur Datenverbindung der Sensoreinheit (2) mit den Umrichtern (3) .
8. Fahrzeug mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen An trieb .
9. Fahrzeug nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Fahrzeug ein Luftfahrzeug (5) ist.
10. Fahrzeug nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Luftfahrzeug (5) ein Flugzeug ist.
11. Fahrzeug (5) nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch:
einen durch den Elektromotor (1) in Rotation versetzbaren Propeller ( 6 ) .
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