WO2022200011A1 - Verfahren zur überwachung der betriebsart einer drehzahl-veränderlichen elektrischen antriebsmaschine - Google Patents

Verfahren zur überwachung der betriebsart einer drehzahl-veränderlichen elektrischen antriebsmaschine Download PDF

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WO2022200011A1
WO2022200011A1 PCT/EP2022/055373 EP2022055373W WO2022200011A1 WO 2022200011 A1 WO2022200011 A1 WO 2022200011A1 EP 2022055373 W EP2022055373 W EP 2022055373W WO 2022200011 A1 WO2022200011 A1 WO 2022200011A1
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rotor
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Gerald Amler
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Siemens Mobility GmbH
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    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B60L15/2009—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed for braking
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/08—Controlling based on slip frequency, e.g. adding slip frequency and speed proportional frequency
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    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the operating mode of a variable-speed electrical drive machine, in particular an asynchronous machine.
  • asynchronous machines are used as variable-speed electrical drive machines not only for driving but also for braking.
  • the asynchronous machine is typically fed by an inverter that provides current and voltage for the asynchronous machine.
  • an inverter that provides current and voltage for the asynchronous machine.
  • emergency braking is understood to mean braking with maximum braking force and the fastest possible effect. It is usually only initiated or used by a train driver in an emergency. In the railway system, emergency braking is understood to mean braking that is initiated by monitoring devices or by a train control device.
  • Monitoring is typically provided for the above-described safeguarding of the rail vehicle, which reliably brings about a safe state for the braking process in the event of a fault.
  • the monitoring is specific to the rail vehicle and is checked as part of the approval of the rail vehicle.
  • a further possibility for error avoidance is to monitor the electrical power supplied to the asynchronous machine.
  • the power is obtained by multiplying the voltages applied to the electric drive machine by the associated currents.
  • the power monitoring allows conclusions to be drawn about the driving force of the asynchronous machine on the rail vehicle.
  • a further possibility for error avoidance consists in determining the current in the intermediate circuit of the feeding inverter by measurement as part of the monitoring and supplying it to an analysis as a measure of the power. This is described, for example, in publication WO 2016134 964 A1. wrote . By monitoring the power, the driving force of the asynchronous machine on the rail vehicle is deduced.
  • the invention relates to a method for monitoring the operating mode of a variable-speed three-phase asynchronous machine that is used in a rail vehicle both for driving and for braking.
  • the invention is based on the fact that, with sensible monitoring in detail, the absolute level of an active electrical braking or driving force is not important. it already suffices to recognize any difference at all between the operating modes "drive” and “braking” in the asynchronous machine.
  • the electrical slip of the asynchronous machine also known as the slip frequency
  • the slip frequency represents the difference between the supplied stator frequency and the mechanical rotor frequency in relation to the number of pole pairs of the asynchronous machine.
  • the sign of the slip frequency is compared with the sign of the speed of the asynchronous machine.
  • the asynchronous machine drives the rail vehicle or it is in the "drive" operating mode.
  • the asynchronous machine brakes the rail vehicle or is then in the "braking" operating mode.
  • the speed of the asynchronous machine, including the sign, is determined using a sensor on the shaft of the asynchronous machine.
  • the slip frequency or its sign is determined by analyzing the currents in the asynchronous machine using a model that is described below.
  • a sign of the mechanical torque is determined with the aid of the model.
  • the model is based on the fact that currents with the slip frequency flow in the rotor of the asynchronous machine, with the sign of the slip frequency reflecting the sign of the torque direction.
  • the model uses differential equations to describe the electrical and mechanical behavior of the asynchronous machine, the details of which are known from the literature - cf., for example, the publication "Regulated drives with induction machines and self-commutated power converters” by Felix Jenni, University of Applied Sciences Northwestern Switzerland, University of Applied Sciences, Edition 2019, Chapter 4.4.3.
  • the inverter which is connected upstream of the asynchronous machine for the electrical supply, is blocked in the event that the monitoring of intended braking of the rail vehicle in the asynchronous machine is in the "drive” mode. This is in the sense understood as a "safe barrier" within the framework of the approval of the rail vehicle.
  • the present invention enables reliable, electrical braking even at low (residual) speeds of the rail vehicle.
  • the present invention ensures, in particular, reliable emergency braking or emergency braking of the rail vehicle.
  • the wear of mechanical components of the brake of the rail vehicle is reduced by the present invention, since the electrical braking effect of the asynchronous machine supports the braking effect of the mechanical components.
  • FIG. 3 with reference to FIG. 2 shows the detailed model for calculating the sign of the torque.
  • FIG. 1 shows a known T-equivalent circuit diagram of a squirrel-cage asynchronous machine.
  • the rotor flux In order to calculate the mechanical torque, the rotor flux must also be known in addition to the measurable currents.
  • FIG. 2 shows a basic structure for a model MOD or for a machine model of the rotor mesh, ie equations (5) and (7).
  • the measured stator currents I1, I2, I3 and the mechanical circular frequency ⁇ me as the measured speed of the asynchronous machine are fed to the model MOD as input variables.
  • the MOD model supplies the sign of the torque DMVZ as an output variable.
  • the MOD model is designed in such a way that its stability and mode of action can be understood and validated.
  • the model Since the absolute value of the torque M me is not important, the model is designed to be robust with regard to parameter changes in reality. Accordingly, there is no tracking of thermal changes in parameters.
  • FIG. 3 shows the MOD model for calculating the sign of the torque M me .
  • VZ(x) stands for "sign of quantity x”:
  • Equation (9) is implemented in FIG. 3 as a model MOD in blocks B1, B2 and B3 as follows:
  • the measured speed ⁇ me is subjected to an integration Integ, taking into account the number of pole pairs p, and from this an angle a is calculated, which is used for the rotation.
  • the angle a characterizes the position of the rotor in the revolving coordinate system.
  • the space vector of the measured stator currents is ne turning operation by the negative angle -a converted into the coordinate system of the rotating rotor.
  • the rotating field of the stator is transferred to the rotor by induction and forms the rotor magnetic field there.
  • the rotor magnetic field builds up with a rotor time constant.
  • a rotor time constant of the PT1 element represents a parameter that is calculated from the machine parameters. Its exact determination is unimportant, since deviations only affect the transient but not the steady-state behavior.
  • the result of the second block B2 corresponds to the magnetizing current in the rotor with a pointer in the coordinate system of the rotor.
  • a third block B3 the rotor magnetic field is rotated back through the angle +a into the stator coordinate system.
  • the torque or its sign DMVZ is determined by multiplying the results of the third block B3 with the conjugate-complex space vector of the stator currents.
  • the model described here is very simple and therefore easy to implement. It is not dependent on special machine parameters and does not have to be adapted during operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Betriebsart einer Drehzahl-veränderlichen elektrischen Asynchronmaschine, wobei die Asynchronmaschine bei einem Schienenfahrzeug zum Antrieb und zum Bremsen verwendet wird. Die Asynchronmaschine wird von einem Wechselrichter mit Spannung bzw. Strom gespeist, wobei durch Einstellung der Phasenlage der eingespeisten Spannungen bzw. Ströme die Betriebsart der Asynchronmaschine eingestellt und geregelt wird. Erfindungsgemäß wird ein Vorzeichen der elektrischen Schlupffrequenz der Asynchronmaschine ermittelt. Weiter wird ein Vorzeichen der Drehzahl der Asynchronmaschine ermittelt. Das Vorzeichen des Schlupffrequenz wird mit dem Vorzeichen der Drehzahl der Asynchronmaschine verglichen. Wenn Drehzahl und Schlupffrequenz gleiche Vorzeichen haben, wird auf die Betriebsart Antrieb erkannt. Wenn Drehzahl und Schlupffrequenz ungleiche Vorzeichen haben, wird auf die Betriebsart Bremsen erkannt. Das Vorzeichen einer der Schlupffrequenz proportionalen Größe wird aus den Ständerströmen und der Drehzahl der Asynchronmaschine ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Überwachung der Betriebsart einer Drehzahl- veränderlichen elektrischen Antriebsmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Be- triebsart einer Drehzahl-veränderlichen elektrischen An- triebsmaschine, insbesondere einer Asynchronmaschine.
Als Antrieb von Fahrzeugen, insbesondere von Schienenfahrzeu- gen, werden Asynchronmaschinen als Drehzahl-veränderliche elektrische Antriebsmaschinen nicht nur zum Antrieb, sondern auch zum Bremsen verwendet.
Dabei wird die Asynchronmaschine typischerweise von einem Wechselrichter gespeist, der Strom und Spannung für die Asyn- chronmaschine zur Verfügung stellt. Durch die Einstellung der Phasenlage von angelegten Spannungen bzw. der entsprechenden Ströme der Asynchronmaschine in Relation zum Magnetfeld der Asynchronmaschine wird deren Betriebsart „Antrieb" bzw. „Bremsen" eingestellt bzw. geregelt.
Bei einem beabsichtigen Bremsen, insbesondere bei einer im Notfall erfolgenden Schnellbremsung oder Zwangsbremsung des Schienenfahrzeugs, muss sichergestellt sein, dass die Asyn- chronmaschine das Schienenfahrzeug auf keinen Fall mit einer antreibenden Kraft bzw. Kraftwirkung beaufschlagt, die der Bremswirkung entgegenstehen würde.
Unter Schnellbremsung wird dabei im Eisenbahnwesen die Brem- sung mit maximaler Bremskraft und schnellstmöglicher Wirkung verstanden . Sie wird von einem Triebfahrzeugführer in aller Regel nur in einem Gefahrfall eingeleitet bzw. angewendet. Unter Zwangsbremsung wird im Eisenbahnwesen eine Bremsung verstanden, die von Überwachungseinrichtungen oder durch ei- ne Zugbeeinflussungseinrichtung eingeleitet wird.
Typischerweise ist für die oben beschriebene Sicherstellung beim Schienenfahrzeug eine Überwachung vorgesehen, die im Fehlerfall zuverlässig einen sicheren Zustand für den Brems- vorgang herbeiführt. Die Überwachung ist Schienenfahrzeug- spezifisch und wird im Rahmen der Zulassung des Schienenfahr- zeugs geprüft.
Zur Vermeidung der beschriebenen Probleme bzw. von Fehlern ist es üblich, beim Bremsen die elektrische Antriebsmaschine abzuschalten .
Dies hat den Nachteil, dass mechanische Bremskomponenten stark beansprucht werden und in Folge einem hohen Verschleiß unterliegen . Zusätzlich wird durch das Abschalten der elektrischen Antriebsmaschine auf die Möglichkeit verzichtet, Energie beim Bremsvorgang zurückzugewinnen.
Eine weitere Möglichkeit zur Fehlervermeidüng besteht darin, die der Asynchronmaschine zugeführte elektrische Leistung zu überwachen . Die Leistung ergibt sich durch Multiplikation der an der elektrischen Antriebsmaschine anliegenden Spannungen mit den zugehörigen Strömen. Durch die Leistungs-Überwachung wird auf die Antriebskraft der Asynchronmaschine auf das Schienenfahrzeug geschlossen.
Eine weitere Möglichkeit zur Fehlervermeidüng besteht darin, im Rahmen der Überwachung den Strom im Zwischenkreis des speisenden Wechselrichters durch Messung zu ermitteln und ihn als Maß für die Leistung einer Analyse zuzuführen. Dies ist beispielswiese in der Druckschrift WO 2016134 964 Al be- schrieben . Durch die Leistungs-Überwachung wird auf die An- triebskraft der Asynchronmaschine auf das Schienenfahrzeug geschlossen .
Der Nachteil der beiden beschriebenen Leistungs-basierten Überwachungen ist, dass bei einer Verringerung der Geschwin- digkeit stets vorhandene Messfehler bei der Leistungsermitt- lung den Rückschluss auf eine tatsächlich wirkende Antriebs- kraft stark verfälschen.
Daher ist es bislang üblich, bei langsamer Fahrt des Schie- nenfahrzeugs allein aus Sicherheitsgründen auf die Möglich- keit einer elektrischen Bremsung durch die Asynchronmaschine zu verzichten, was wiederum zum erhöhten Verschleiß von me- chanischen Bremskomponenten führt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung der Betriebsart einer Asynchronma- schine, die als Drehzahl-veränderliche elektrische Antriebs- maschine in einem Schienenfahrzeug eingesetzt ist, anzugeben, das genau und zuverlässig sowie bei geringem Aufwand reali- sierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprü- chen angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Be- triebsart einer Drehzahl-veränderlichen Drehstrom- Asynchronmaschine, die in einem Schienenfahrzeug sowohl zum Antrieb als auch zum Bremsen verwendet wird.
Die Erfindung basiert darauf, dass es bei einer sinnvollen Überwachung im Detail nicht auf eine absolute Höhe einer wir- kenden elektrischen Brems- bzw. Antriebskraft ankommt. Es ge- niigt bereits, überhaupt einen Unterschied zwischen den Be- triebsarten „Antrieb" und „Bremsen" bei der Asynchronmaschine zu erkennen.
Für diese Unterscheidung wird der elektrische Schlupf der Asynchronmaschine, auch Schlupffrequenz genannt, verwendet, welche die Differenz zwischen eingespeister Ständerfrequenz und mechanischer Rotorfrequenz bezogen auf die Polpaarzahl der Asynchronmaschine darstellt.
Erfindungsgemäß wird das Vorzeichen der Schlupffrequenz mit dem Vorzeichen der Drehzahl der Asynchronmaschine verglichen.
Haben Drehzahl und Schlupffrequenz gleiche Vorzeichen, dann treibt die Asynchronmaschine das Schienenfahrzeug an bzw. dann befindet sich diese in der Betriebsart „Antrieb".
Bei unterschiedlichem Vorzeichen bremst die Asynchronmaschine das Schienenfahrzeug ab bzw. dann befindet sich diese in der Betriebsart „Bremsen".
Die Drehzahl der Asynchronmaschine inklusive Vorzeichen wird mit Hilfe eines Sensors an der Welle der Asynchronmaschine bestimmt .
Eine Berechnung der Schlupffrequenz aus Drehzahl und Ständer- frequenz ist oft problembehaftet. Zum einen ändert sich die Drehzahl der Asynchronmaschine bedingt durch betriebliche An- forderungen des Schienenfahrzeugs ständig. Zum anderen er- zeugt die Regelung der Ständerfrequenz aufgrund laufender Än- derungen im Solldrehmoment und der Drehzahl eine die Asyn- chronmaschine speisende Spannung, die nicht notwendigerweise sinusförmig und/oder periodisch ist. Daher erfolgt in einer bevorzugten Weiterbildung die Ermitt- lung der Schlupffrequenz bzw. ihres Vorzeichens durch eine Analyse der Ströme in der Asynchronmaschine unter Verwendung eines Modells, das nachfolgend beschrieben wird.
Mit Hilfe des Modells wird ein Vorzeichen des mechanischen Drehmoments bestimmt. Das Modell beruht darauf, dass im Rotor der Asynchronmaschine Ströme mit der Schlupffrequenz fließen, wobei das Vorzeichen der Schlupffrequenz das Vorzeichen der Drehmomentrichtung wiedergibt.
Das Modell verwendet Differentialgleichungen zur Beschreibung des elektrischen und mechanischen Verhaltens der Asynchronma- schine, deren Details aus der Literatur bekannt sind - vgl. hierzu beispielsweise die Druckschrift „Geregelte Antriebe mit Drehfeldmaschinen und selbstgeführten Stromrichtern" von Felix Jenni, Fachhochschule Nordwestschweiz, Hochschule für Technik, Ausgabe 2019, Kapitel 4.4.3.
Das konkret verwendete Modell wird nachfolgend näher ausge- führt.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird für den Fall, das die Überwachung bei einem beabsichtigen Bremsen des Schienenfahrzeugs bei der Asynchronmaschine die Betriebsart „Antrieb" erkannt wird, der Wechselrichter, der der Asyn- chronmaschine zur elektrischen Versorgung vorgeschaltet ist, gesperrt . Dies wird im Sinne einer „sicheren Sperre" im Rah- men der Zulassung des Schienenfahrzeugs verstanden.
Durch die vorliegende Erfindung wird bei geringem Aufwand ei- ne zuverlässige Überwachung und Erkennung der Betriebsarten der Asynchronmaschine „Antreiben" bzw. „Bremsen" realisiert, zusätzliche Messwandler für Strom und Spannung werden nicht benötigt .
Durch die vorliegende Erfindung wird eine zuverlässige, elektrische Bremsung auch bei geringen (Rest-) Geschwindig- keiten des Schienenfahrzeugs ermöglicht.
Durch die vorliegende Erfindung wird insbesondere eine zuver- lässige Schnellbremsung oder Zwangsbremsung des Schienenfahr- zeugs sichergestellt.
Durch die vorliegende Erfindung wird der Verschleiß von me- chanischen Komponenten der Bremse des Schienenfahrzeugs redu- ziert, da die elektrische Bremswirkung der Asynchronmaschine die Bremswirkung der mechanischen Komponenten unterstützt.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand einer Zeichnung am Beispiel einer Kurzschlussläufer- Asynchronmaschine konkreter ausgeführt. Dabei zeigt:
FIG 1 ein Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine,
FIG 2 eine prinzipielle Struktur für ein Modell der Asyn- chronmaschine zur Berechnung des Vorzeichens des Dreh- moments, und
FIG 3 mit Bezug auf FIG 2 das detaillierte Modell zur Berech- nung des Vorzeichens des Drehmoments.
FIG 1 zeigt ein bekanntes T-ErsatzSchaltbild einer Kurz- schlussläufer-Asynchronmaschine .
Die nachfolgenden, bekannten Gleichungen zum Ersatzschaltbild einer Asynchronmaschine sind aus der Druckschrift „Geregelte Antriebe mit Drehfeldmaschinen und selbstgeführten Stromrich- tern" von Felix Jenni, Fachhochschule Nordwestschweiz, Hoch- schule für Technik, Ausgabe 2019, Kapitel 4.4.3., entnommen.
Mit Bezug auf das T-Ersatzschaltbild einer allgemeinen Asyn- chronmaschine gelten die folgenden Differentialgleichungen in Raumzeigerdarstellung in einem mit einer Kreisfrequenz ror rotierenden Koordinatensystem:
Figure imgf000009_0001
mit: Spannungs-Drehzeiger (Raumzeiger, Momentanwert),
Statorseite, Strom-Drehzeiger (Raumzeiger, Momentanwert),
Statorseite,
Rs Widerstand, Statorseite,
Lσs Streuinduktivität, Statorseite,
Lh HauptInduktivität,
Ls StatorInduktivität, Statorfluss, StatorflussVerkettung, im Strom (Momentanwert), Magnetisierung, Spannungs-Drehzeiger (Momentanwert), Rotorseite, Strom-Drehzeiger (Raumzeiger, Momentanwert), Ro-
Figure imgf000009_0002
torseite,
RR Widerstand, Rotorseite, LσR Streuinduktivität, Rotorseite,
LR Rotorinduktivität,
Rotorfluss, Rotorflussverkettung (Raumzeiger, Momentanwert), ωK Kreisfrequenz des Koordinatensystems,
P Zahl der Polpaare, ωme mechanische Kreisfrequenz (Welle der Drehstrom- maschine),
Mme mechanisches Drehmoment, Im (x) Imaginärteil von x
Dabei beschreibt:
- Gleichung (1) eine Stator-seitige Maschengleichung,
- Gleichung (2) eine Rotor-seitige Maschengleichung und
- Gleichung (5) das mechanische Drehmoment der Asynchron- maschine .
Für die Berechnung des mechanischen Drehmoments muss neben den messbaren Strömen auch der Rotorfluss bekannt sein.
Figure imgf000010_0003
Figure imgf000010_0004
Wählt man als Koordinatensystem wk = p*ωme und UR = 0, weil es sich um eine Kurzschlußläufer-Asynchronmaschine handelt, so ergibt sich aus Gleichung (2):
(6)
Figure imgf000010_0001
Löst man Gleichung (6) nach dem Rotorstrom IR auf, ergibt sich:
(6a)
Figure imgf000010_0002
Setzt man Gleichung (6a) in Gleichung (4), ergibt sich als Differentialgleichung für den Rotorfluss:
Figure imgf000011_0001
Mit Gleichung (7) und mit Gleichung
(5)
Figure imgf000011_0002
erhält man somit ein System, mit dem aus gemessenen Strömen is das mechanische Drehmoment Mme der Asynchronmaschine be- stimmbar ist.
Für eine exakte Bestimmung des Drehmoments Mme wären als Pa- rameter die in den Gleichungen verwendeten Induktivitäten und Widerstände erforderlich. Zu beachten ist außerdem, dass sich die Widerstände aufgrund verändernder Temperaturen der Asyn- chronmaschine ebenfalls ändern. Eine exakte Bestimmung ist daher aufwendig.
Jedoch ist es im Rahmen der Erfindung nur nötig, eine Unter- scheidung zwischen „Antreiben" oder „Bremsen" im Rahmen der Überwachung zu erkennen, die nicht durch den exakten Wert, sondern nur durch das Vorzeichen des mechanischen Drehmoments bestimmt ist.
Diese Vereinfachung wird im nachfolgend in FIG 2 im dort be- schriebenen Modell berücksichtigt.
FIG 2 zeigt mit Bezug auf die oben genannten Ausführungen ei- ne prinzipielle Struktur für ein Modell MOD bzw. für ein Ma- schinenmodell der Rotormasche, also der Gleichungen (5) und (7). Dem Modell MOD werden als Eingangsgrößen die gemessenen Stän- derströme I1, I2, I3 sowie die mechanische Kreisfrequenzωme als gemessene Drehzahl der Asynchronmaschine zugeführt.
Das Modell MOD liefert als Ausgangsgröße das Vorzeichen des Drehmoments DMVZ.
Das Modell MOD ist so beschaffen, dass dessen Stabilität und Wirkungsweise nachvollziehbar und validierbar ist.
Da es nicht auf den absoluten Wert des Drehmoments Mme an- kommt, ist das Modell robust gegenüber Parameteränderungen der Realität ausgestaltet. Entsprechend wird auf eine Nach- führung von thermischen Veränderungen von Parametern verzich- tet.
Im Modell MOD wird somit ein abstraktes, parameterunabhängi- ges Drehmoment Mme berechnet, von dem nur das Vorzeichen zur Auswertung gelangt.
FIG 3 zeigt mit Bezug auf FIG 2 das Modell MOD zur Berechnung des Vorzeichens des Drehmoments Mme.
Dabei werden in einem mit wk = p*ωme umlaufenden Koordinaten- system die Gleichungen
(5)
Figure imgf000012_0001
und
(7)
Figure imgf000012_0002
wie folgt modelliert, wobei die Bezeichnung „VZ(x) " für „Vor- zeichen der Größe x" steht:
(8)
Figure imgf000012_0003
(9)
Figure imgf000013_0001
Gleichung (9) wird in FIG 3 als Modell MOD in den Blöcken Bl, B2 und B3 wie folgt umgesetzt:
Einem ersten Block Bl werden die gemessenen Standerströme I1, 12, 13 als kombinierter Raumzeiger sowie die Drehzahl ω
Figure imgf000013_0003
me als EingangsSignale zugeführt.
Die Raumzeiger der gemessenen Ständerströme werden in ein mit wk = p*ωme umlaufendes Koordinatensystem gedreht, um eine Wir- kung auf den Rotorfluss bzw. auf eine dazu proportionale Grö- ße zu erhalten.
Für diese Drehung wird die gemessene Drehzahl ωme unter Be- rücksichtigung der Polpaarzahl p einer Integration Integ un- terzogen und daraus ein Winkel a berechnet, der zur Drehung verwendet wird.
Der Winkel a kennzeichnet dabei die Lage des Rotors im umlau- fenden Koordinatensystem.
Der Raumzeiger der gemessenen Ständerströme wird durch ei-
Figure imgf000013_0002
ne Drehoperation um den negativen Winkel -a in das Koordina- tensystem des drehenden Rotors umgerechnet.
Dies entspricht der Rotation des Statordrehfeldes, das vom Rotor aus wahrgenommen wird.
Durch Induktion wird das Statordrehfeld auf den Rotor über- tragen und bildet dort das Rotormagnetfeld. Das Rotormagnetfeld baut sich im stationären Zustand mit ei- ner Rotorzeitkonstante auf.
Dies wird im Modell in einem zweite Block B2 durch ein PT1- Glied nachgebildet, das einer Glättung erster Ordnung der AusgangsSignale des ersten Blocks B1 entspricht.
Dabei stellt eine Rotorzeitkonstante des PT1-Glieds einen Pa- rameter dar, der sich aus den Maschinenparametern berechnet. Dessen genaue Ermittlung ist unwichtig, da sich Abweichungen nur auf das transiente, jedoch nicht auf das stationäre Ver- halten auswirken.
Das Ergebnis des zweiten Blocks B2 entspricht dem Magnetisie- rungsstrom im Rotor mit Zeiger im Koordinatensystem des Ro- tors.
In einem dritten Block B3 erfolgt eine Rückdrehung des Rotor- magnetfelds durch den Winkel +a in das Statorkoordinatensys- tem.
In einem vierten Block B4 erfolgt letztlich die Drehmoment- Berechnung bzw. die Bestimmung des Vorzeichens des Drehmo- ments DMVZ gemäß Gleichung (8).
Dabei wird das Drehmoment bzw. dessen Vorzeichen DMVZ durch eine Multiplikation der Ergebnisse des dritten Blocks B3 mit dem konjugiert-komplexen Raumzeiger der Ständerströme ermit- telt.
Das hier beschriebene Modell ist sehr einfach aufgebaut und daher leicht implementierbar. Es ist auf spezielle Maschinen- parameter nicht angewiesen und muss im laufenden Betrieb nicht adaptiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung der Betriebsart einer Drehzahl- veränderlichen elektrischen Asynchronmaschine,
- bei dem die Asynchronmaschine bei einem Schienenfahrzeug zum Antrieb und zum Bremsen verwendet wird,
- bei dem die Asynchronmaschine von einem Wechselrichter mit Spannung bzw. Strom gespeist wird, wobei durch Ein- stellung der Phasenlage der eingespeisten Spannungen bzw. Ströme die Betriebsart der Asynchronmaschine einge- stellt und geregelt wird,
- bei dem ein Vorzeichen der elektrischen Schlupffrequenz der Asynchronmaschine ermittelt wird,
- bei dem ein Vorzeichen der Drehzahl der Asynchronmaschi- ne ermittelt wird,
- bei dem das Vorzeichen der Schlupffrequenz mit dem Vor- zeichen der Drehzahl der Asynchronmaschine verglichen wird,
- bei dem auf die Betriebsart Antrieb erkannt wird, wenn Drehzahl und Schlupffrequenz gleiche Vorzeichen haben,
- bei dem auf die Betriebsart Bremsen erkannt wird, wenn Drehzahl und Schlupffrequenz ungleiche Vorzeichen haben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Vorzeichen der
Drehzahl mit Hilfe eines Sensors an der Welle der Asyn- chronmaschine ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
- bei dem zur Ermittlung des Vorzeichens der Schlupffre- quenz ein Vorzeichen des mechanischen Drehmoments der Asynchronmaschine bestimmt wird, und
- bei dem das Vorzeichen des Drehmoments als Vorzeichen der Schlupffrequenz verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zur Ermittlung des Vor- zeichens des mechanischen Drehmoments mit Hilfe eines Mo- dells die Drehzahl und die Ständerströme der Asynchronma- schine analysiert werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei einer durch die Überwachung erkannten Betriebsart „An- trieb" bei gleichzeitiger Bremsabsicht des Schienenfahr- zeugs der Wechselrichter, der der Asynchronmaschine zur elektrischen Versorgung vorgeschaltet ist, gesperrt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Asynchronmaschine eine Kurzschlussläufer- Asynchronmaschine verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zur Bestimmung des Vor- zeichens des mechanischen Drehmoments folgenden Differen- tialgleichungen in RaumzeigerdarStellung in einem mit ei- ner Kreisfrequenz ωk-rotierenden Koordinatensystem verwen- det werden:
Figure imgf000016_0001
mit Spannungs-Drehzeiger, Statorseite, Strom-Drehzeiger, Statorseite,
RS Widerstand, Statorseite,
LσS Streuinduktivität, Statorseite,
Lh Hauptinduktivität,
Ls StatorInduktivität, Statorfluss bzw. Statorflussverkettung, Raumzei- ger, Momentanwert, im Strom bzw. Magnetisierungsstrom, Spannungs-Drehzeiger, Raumzeiger, Momentanwert,
Rotorseite, Strom-Drehzeiger, Raumzeiger, Momentanwert, Ro- torseite,
RR Widerstand, Rotorseite,
LσR Streuinduktivität, Rotorseite,
LR RotorInduktivität, Rotorfluss, RotorflussVerkettung, Raumzeiger,
Momentanwert, ωK Kreisfrequenz des Koordinatensystems, p Zahl der Polpaare, ωme mechanische Kreisfrequenz,
Mme mechanisches Drehmoment, und mit
Im (x) Imaginärteil der Größe x
8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, bei dem für die Berech- nung des Vorzeichens VZ des mechanischen Drehmoments Mme die folgenden Gleichungen verwendet werden:
Figure imgf000017_0001
und bei dem unbekannte oder im Betrieb veränderliche Pa rameter bei der Vorzeichenermittlung vernachlässigt wer den.
PCT/EP2022/055373 2021-03-25 2022-03-03 Verfahren zur überwachung der betriebsart einer drehzahl-veränderlichen elektrischen antriebsmaschine WO2022200011A1 (de)

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FELIX JENNIFACHHOCHSCHULE NORDWESTSCHWEIZ: "tern", HOCHSCHULE FÜR TECHNIK, vol. 4, no. 4, 2019, pages 3

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