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1. WO2020120036 - VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Titel:

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine und eine Regelvorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Elektrische Maschinen, wie beispielsweise permanent erregte

Synchronmaschinen, finden in zahlreichen technischen Bereichen Einsatz.

Beispielsweise werden solche permanent erregten Synchronmaschinen in Kraftfahrzeugen insbesondere Elektro- und Hybridfahrzeugen aber auch in Kleinantrieben im 12V- oder 48V-Bereich eingesetzt.

Stand der Technik

Aus der WO 2014/001028 Al ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Traktionsantriebssystems und eine dazugehörige Steuervorrichtung bekannt.

Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass bei elektrischen Antrieben bei einer Ungleichbelastung der Schalterzweige bei hohem elektrisch erzeugten Drehmoment und gleichzeitigem Stillstand der Antriebsmaschine der belastete Schalterzweig rasch eine Maximaltemperatur erreicht. Um eine Überhitzung und damit eine Zerstörung der Leistungselektronik zu vermeiden wird die elektrische Maschine abgeregelt, so dass das von der elektrischen Maschine zu Verfügung stehende Drehmoment erheblich reduziert wird.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem das volle Drehmoment der elektrischen Maschine nutzbar bleibt und es nicht zu einer Zerstörung der Leistungselektronik kommt.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen

Maschine nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer Vorrichtung zur

Durchführung eines solchen Verfahrens wird auf Anspruch 11 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte

Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Das Verfahren nach der Erfindung umfasst einen Normalbetrieb und einen Sonderbetrieb in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollwertes, wobei der Normalbetrieb die Schritte des Detektierens eines Betriebszustandes, wobei für den Fall, dass der detektierte Betriebszustand ein Sonderzustand ist der Sonderbetrieb ausgeführt wird, und wobei der Sonderbetrieb die Schritte des Aufmodulierens eines zyklischen Wertes auf den vorgegebenen Sollwert, des Detektierens des Betriebszustandes, wobei für den Fall, dass der

Betriebszustand ein Normalzustand ist, der Normalbetrieb ausgeführt wird, umfasst.

Als Betriebszustand im Sinne der Erfindung werden die ein System

beschreibenden Zustandsgrößen wie beispielsweise die durch den Inverter eingeprägte Frequenz der Spannung, die Drehfrequenz der elektrischen

Maschine, Temperatur oder Drehmoment verstanden, so dass entschieden werden kann, ob diese Größen außerhalb eines definierten Bereiches liegen und somit ein Sonderzustand oder ein Normalzustand festgestellt werden kann. Als Normalzustand wird dabei jeder Betriebszustand verstanden, welcher nicht unter den Sonderzustand fällt.

Unter einem zyklischen Wert im Sinne der Erfindung wird ein sich periodisch ändernder Wert in Form einer beispielsweise Sinusschwingung,

Sägezahnschwingung etc. verstanden, der eine Schwingung um den Sollwert verursacht.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass einzelne Bauteile durch die zyklische Bewegung des Rotors nicht thermisch überbeansprucht und dadurch zerstört werden. Die thermische Belastung einzelner Bauteile kann dadurch reduziert werden. Dadurch kann eine Abregelung der elektrischen Maschine, um die Bauteile vor einer Zerstörung zu schützen, welche zudem eine erhebliche Einschränkung in der Umsetzung des Sollwertes bedeutet, vermieden werden.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der zyklische Wert derart aufmoduliert, dass sich eine zyklische Bewegung des Rotors der elektrischen Maschine ergibt, welche eine Amplitude aufweist, die größer als 1/6 einer elektrischen Umdrehung ist. Der Rotor der elektrischen Maschine schwingt dabei mit einer Gesamtschwingungsbreite von bevorzugt mehr als 1/3 einer elektrischen Umdrehung. Der Mittelwert dieser Schwingung ist dabei der aktuell vorgegebene Sollwert. Durch einen solchen zyklischen Wert, beziehungsweise eine solche Amplitude, wird eine bessere Verteilung der Verlustleistung auf die Schalterzweige der Endstufen erreicht, so dass eine Zerstörung der Bauteile vermieden werden kann.

Vorzugsweise wird die Frequenz des zyklischen Werts so gewählt, dass diese in der Nähe oder gleich einer Eigenfrequenz des dynamischen Systems, insbesondere bestehend aus einem Maschinenregler, einer Leistungselektronik, der elektrischen Maschine und/oder einem nachfolgenden mechanischen Antriebssystem, ist, so dass die gewünschte Amplitude der zyklischen Bewegung der Rotorlage bei reduzierter Amplitude des zyklischen Werts erreicht wird. Dies hat den Vorteil, dass sich das System aufgrund der Eigenfrequenz leicht aufschaukeln lässt, so dass mit einer geringen Anregung eine hohe Wirkung erzielbar ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird als Sollwert ein Sollmoment verwendet. Alternativ wird als Sollwert ein Sollstrom eines

Stromreglers der elektrischen Maschine verwendet. Bei einer weiteren

Alternative wird als Sollwert ein Sollwinkel des Rotors der elektrischen Maschine verwendet. Diese Werte können auf einfache Weise gemessen werden, so dass ein Sollwert mit dem Istwert verglichen werden kann und somit eine Abweichung auf einfache Weise feststellbar ist.

Vorteilhafterweise wird das Erreichen des Sonderzustands detektiert, wenn die Drehfrequenz des durch die Leistungselektronik eingeprägten elektrischen

Spannungszeigers kleiner als eine Grenzfrequenz ist und eine Temperatur, ein Phasenstrom und/oder ein resultierendes Drehmoment einen Schwellwert überschreitet. Als Grenzfrequenz im Sinne der Erfindung wird eine durch den Inverter eingeprägte Frequenz der Spannung verstanden, ab welcher es durch einseitige Belastung von Bauteilen zu einer Zerstörung dieser Bauteile kommen kann, wobei ein Erreichen der Grenzfrequenz alleine noch nicht zu einer

Zerstörung von Bauteilen führt. Zum Eintreten eines Sonderzustandes muss diese Bedingung daher zusammen mit dem Überschreiten einer Temperatur, einer Temperaturdifferenz, eines Stroms und/oder eines Drehmoments vorliegen. Der Vorteil des Detektierens des Sonderzustands liegt darin, dass eine

Zerstörung von Bauteilen vermieden wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Sonderzustand erst ab einer vorbestimmten Zeitdauer der Schwellwertüberschreitung detektiert. Dies bedeutet, dass bei einer kurzzeitigen Überschreitung eines oder mehrerer Schwellwerte kein Sonderzustand detektiert wird. Ein Sonderzustand wird somit erst detektiert, wenn wenigstens eine Schwellwertüberschreitung eine

vorbestimmte Zeitdauer anhält. Bei dieser Zeitdauer kann dabei davon ausgegangen werden, dass dies zu einer Erwärmung der Schalterzweige führt. Dadurch wird eine unnötige, für die Schalterzweige unkritische, Detektion eines Sonderzustandes vermieden. Es werden somit lediglich die für die

Schalterzweige kritisch werdenden Überschreitungen als Sonderzustand detektiert.

Die Grenzfrequenz wird vorzugsweise abhängig von den thermischen

Eigenschaften der Leistungselektronik festgelegt. Dadurch kann die

Grenzfrequenz besser an die Leistungselektronik angepasst werden.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Verlassen des Sonderzustands detektiert, wenn die Drehfrequenz des durch die

Leistungselektronik eingeprägten elektrischen Spannungszeigers größer als die Grenzfrequenz ist. Bei einem Verlassen des Sonderzustands fängt der Rotor der elektrischen Maschine wieder an zu rotieren, so dass eine einseitige Belastung und damit eine Zerstörung der Bauteile ausgeschlossen werden kann. Dies wird durch eine Frequenz der durch die Leistungselektronik eingeprägten elektrischen Spannung detektiert, die Größer als die Grenzfrequenz ist.

Die Erfindung umfasst zusätzlich eine Regelvorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, wobei die Regelvorrichtung eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Regelvorrichtung umfasst dabei eine Sollwertvorgebeeinheit, zum Vorgeben eines Sollwertes, einen

Signalaufbereiter, zur Regelung der elektrischen Maschine, eine

Leistungselektronik, als Stellglied für die elektrische Maschine, eine

Betriebszustandsdetektierungs- und Entscheidungseinheit, zum Detektieren eines Betriebszustandes und zum Entscheiden, ob aufgrund des

Betriebszustandes der Sonderbetrieb oder der Normalbetrieb durchzuführen ist, und eine Modulationseinheit, zur Aufmodulierung eines zyklischen Werts auf den Sollwert während des Sonderbetriebs. Mit einer solchen Regelvorrichtung können die zu dem Verfahren beschriebenen Vorteile erzielt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine

Synchronmaschine. Der Vorteil einer Synchronmaschine ist, dass sie einen hohen Wirkungsgrad, ein geringes Massenträgheitsmoment und aufgrund der Erregung ohne Schleifringe relativ wartungsarm ist.

Zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Steuereinheit einer Regelvorrichtung oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist. Darüber hinaus umfasst die Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben einer

elektrischen Maschine und Regelvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, und

Figur 2 Diagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine 6 und eine Regelvorrichtung 10 zum Durchführen des Verfahrens. Die Regelvorrichtung 10 umfasst dabei eine Sollwertvorgebeeinheit 14, die während einem Normalbetrieb y Normal den Sollwert, welcher hier beispielsweise ein Sollmoment Msoii ist, an einen Signalaufbereiter 15, bestehend aus einem Maschinenregler, einer Transformation in das rotierende

Koordinatensystem, und einer Raumzeigerpulsweitenmodulation besteht, weiterleitet, die das Drehmoment der elektrischen Maschine 6 mit einer

Leistungselektronik 17 als Stellglied, auf den Sollwert Msoii einregelt. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Sollwert ebenso ein Sollstrom eines Stromreglers sein.

Die Regelvorrichtung 10 umfasst zusätzlich eine Betriebszustandsdetektierungs-und Entscheidungseinheit 18, welche einen Betriebszustand Mist der elektrischen Maschine 6 und der Leistungselektronik 17 detektiert. Die

Betriebszustandsdetektierungs- und Entscheidungseinheit 18 ermittelt den aktuellen Betriebszustand des Antriebs, wobei die Zustandsgrößen des Antriebs Mist bzw. Msoii, die Lage und Drehfrequenz des Rotors, die Temperaturen der Schalter in der Leistungselektronik 17 und ggf. weitere Zustandsgrößen sind. Unterschreitet die Drehfrequenz der durch die Leistungselektronik 17

eingeprägten elektrischen Spannungszeigers eine Grenzfrequenz und überschreitet zusätzlich die Temperatur TGrenz der Schalter der

Leistungselektronik 17, ein Strom und/oder ein Drehmoment eine Schwelle, oberhalb einem Schwellwert, so schaltet die Entscheidungseinheit in der Betriebszustandsdetektierungs- und Entscheidungseinheit 18 in einen

Sonderbetrieb ij sonder.

Während des Sonderbetriebs ij sonder moduliert eine Modulationseinheit 26 einen zyklischen Wert Mzyw auf den Sollwert Msoii. Aufgrund von i.d. R. ausreichend ausgeprägten Elastizitäten im Antrieb führen die modulierten Schwankungen des Drehmoments zu zyklischen Bewegungen des Rotors der elektrischen Maschine 6, welche dazu führen, dass die Schaltspiele in der Leistungselektronik 17 gleichmäßiger auf die einzelnen Bauteile verteilt werden. Dadurch wird eine einseitige thermische Belastung der Bauteile reduziert. Der Sonderbetrieb ij sonder wird wieder verlassen und es wird wieder der Normalbetrieb y Normal ausgeführt, wenn die Entscheidungseinheit in der Betriebszustandsdetektierungs- und Entscheidungseinheit 18 das Signal erhält, dass die elektrische. Drehfrequenz des Rotors oberhalb der Grenzfrequenz liegt.

Figur 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. In diesem Diagramm ist das Sollmoment Msoii über der Zeit t aufgetragen. Zusätzlich ist ein Rotorwinkel QR bzw. das Integral der Drehzahl des Rotors über der Zeit t aufgetragen. Aus beiden Kurven ist ersichtlich, dass trotz Anstieg des Sollmoments Msoii, der Rotorwinkel QR nach einer anfänglichen Steigung relativ konstant auf einem Niveau verbleibt.

Zusätzlich zeigt das Diagramm, dass eine Temperaturkurve T, welche die Temperatur in mindestens einem der Schalterzweige wiedergibt, über einen Grenzwert TGrenz steigt. Dadurch wird ein Sonderbetrieb ij sonder ausgeführt, bei welchem auf den Sollwert Msoii ein zyklischer Wert Mzyw aufmoduliert wird. Dies ist in Figur 2 als Schwingung im Sollwert Msoii und Schwingung im Rotorwinkel QR sichtbar. Durch die Schwingung im Rotorwinkel QR werden die einzelnen Schalterzweige gleichmäßiger belastet, so dass ein weiterer Temperaturanstieg T, wie in Figur 2 gezeigt, vermieden werden kann. Die Temperatur T hält sich mehr oder weniger auf einem konstant hohen Niveau.

Durch die Zunahme des Fahrerwunschmoments nimmt der mittlere Rotorwinkel 0Rm stetig zu, was den Übergang in eine Drehbewegung und damit in den Normalbetrieb ij Normai zur Folge hat. Der in Figur 1 dargestellte Verlauf ist typisch für einen Fahrantrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, welches zunächst eine Zeit lang an einer Steigung stillsteht, wobei der Gleichgewichtszustand durch den elektrischen Antrieb gehalten wird, und dann durch weiteres Drücken auf das Gaspedal ein Anfahrvorgang folgt.

Ein weiteres Beispiel ist ein Stillstand des Fahrzeugs an einem Hindernis, z.B. einem Randstein, bei dem durch Betätigung des Gaspedals die Räder zunächst eine Zeit lang gegen den Randstein drücken und dann durch weiteres Drücken des Gaspedals ein Anfahrvorgang erfolgt, bei dem das Hindernis überwunden wird.