DE102012101508A1

DE102012101508A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102012101508A1
Application number: DE201210101508
Authority: DE
Inventors: Andreas Eberhard; Ralph Haag; Hermann Wetzel
Original assignee: Volkswagen AG; Wittenstein SE
Current assignee: Volkswagen AG; Wittenstein SE
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-08-29

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (10), insbesondere zum Kurzschließen einer permanenterregten Synchronmaschine (10), wobei die Maschine (10) durch Stromrichterventile (21–26) mit einem Zwischenkreis (20) verbunden ist, mit einem Schließen zumindest eines Teils der Stromrichterventile (21–26), um die Maschine (10) kurzzuschließen, einem Vergleichen einer Spannung in dem Zwischenkreis (20) mit einem Minimal-Grenzwert für die Spannung (20) in dem Zwischenkreis (20), und einem Öffnen der Stromrichterventile (21–26) in Abhängigkeit des Vergleichs, um die Maschine (10) im Freilauf zu betreiben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere zum Kurzschließen einer permanenterregten Synchronmaschine nach dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine nach dem nebengeordneten Anspruch.
Stand der Technik
Permanentmagneterregte Synchronmaschinen, auch permanenterregte Synchronmaschinen genannt, werden in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt. Ein Einsatzgebiet ist der Antrieb von Kraftfahrzeugen. Aus Sicherheitsgründen müssen Vorkehrungen für einen vollständigen Ausfall aller Versorgungsspannungen an Bord des Kraftfahrzeugs getroffen werden. Eine Möglichkeit bei einem vollständigen Ausfall der Energieversorgung ist, die elektrischen Maschinen einfach im Freilauf weiterlaufen zu lassen und eine Abbremsung des Fahrzeugs mittels der mechanischen Reibbremsen vorzunehmen.
Problematisch an diesem Vorgehen ist, dass im Freilaufbetrieb permanenterregter Synchronmaschinen Spannungen auftreten können, welche derart groß sind, dass Bauteile einer Endstufe zum Ansteuern der Maschine beschädigt werden können.
Aus der EP 0 970 840 A2 ist eine Schutzeinrichtung für permanenterregte elektrische Antriebe bekannt, welche eine Kurzschlussschaltung der Maschine ermöglicht. Hierzu werden zusätzliche Bauteile, unter anderem eine Thyristorbrücke zwischen der Endstufe und der Maschine eingebaut, um gegebenenfalls die elektrische Maschine kurzschließen zu können. Nachteilig an dem Stand der Technik ist ein vergleichsweiser komplizierter und teurer Schaltungsaufbau.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, zu verbessern, insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren und eine vereinfachte Vorrichtung anzugeben, mit welcher bei einem Ausfall von Versorgungsspannungen oder anderen Fehlerfällen ein sicherer Betrieb der elektrischen Maschine, insbesondere einer permanenterregten elektrischen Synchronmaschine möglich ist.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Verfahren und Vorrichtungen typischer Ausführungsformen eignen sich insbesondere zum Kurzschließen von permanenterregten Synchronmaschinen. Solche Synchronmaschinen werden zunehmend in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Das Verfahren ist besonders für den Einsatz in Zusammenhang mit permanenterregten Synchronmaschinen in Kraftfahrzeugen geeignet. Daneben ist das Verfahren jedoch auch für andere elektrische Maschinen, insbesondere Synchronmaschinen ohne Permanentmagneterregung und außerdem für Anwendungen außerhalb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise in der Automatisierungstechnik oder für elektrische Maschinen in der Fördertechnik geeignet. Die permanenterregte Synchronmaschine, welche Gegenstand von typischen Verfahren und Vorrichtungen ist, wird typischerweise auch im Feldschwächungsbetrieb betrieben.
Beim Ausfall der Versorgungsspannung im Zwischenkreis müssen Vorkehrungen getroffen werden, um Spannungsspitzen der Klemmspannung zu vermeiden. Der Ausdruck „Klemmspannung“ bezeichnet typischerweise die Spannung an den Motorklemmen, diese ist in der Regel die Ausgangsspannung einer Endstufe. Die Endstufe stellt typischerweise die Energie zum Betrieb der elektrischen Maschine bereit, wobei diese Energie einem Zwischenkreis entnommen wird. Der Zwischenkreis ist üblicherweise ein Gleichspannungs-Zwischenkreis, wobei die Endstufe als Wechselrichter mit Stromrichterventilen ausgeführt ist. Ausführungsformen ermöglichen eine Aufrechterhaltung eines sicheren Zustandes solange rotative Energie gespeichert ist, um hohe Spannungen und eine Zerstörung der Elektronik durch die hohen Spannungen zu vermeiden, bspw. durch zumindest zeitweises Kurzschließen der elektrischen Maschine im Fehlerfall.
Vorzugsweise werden die Stromrichterventile verwendet, um die Maschine kurzzuschließen. Allgemein ist unter dem Begriff „Schließen der Stromrichterventile“ und dem Begriff „Öffnen der Stromrichterventile“ ein Vorgang zu verstehen, bei welchem zumindest ein Teil der Stromrichterventile geöffnet oder geschlossen wird. So ist es beispielsweise bei einem Wechselrichter für eine Dreiphasensynchronmaschine nicht erforderlich, alle sechs Stromrichterventile zu schließen, um einen Kurzschluss auszulösen. Vielmehr ist es aufgrund der Freilaufdioden ausreichend, lediglich drei der sechs Stromrichterventile zu schließen. Weiterhin sollte klar sein, dass bei einem wiederholten Öffnen und Schließen der Stromrichterventile, um wiederholt einen Kurzschluss auszulösen, es nicht erforderlich ist, jedes Mal dieselben Stromrichterventile zu schließen. Es ist möglich, bei wiederholtem Öffnen und Schließen der Stromrichterventile unterschiedliche Stromrichterventile zu schließen. Der Begriff „Freilauf“ bezeichnet einen Betriebszustand, bei welchem sämtliche Stromrichterventile geöffnet sind. Der Begriff „Kurzschluss“ bezeichnet üblicherweise einen Betriebszustand, bei welchem zumindest ein Teil der Stromrichterventile geschlossen ist, um die elektrische Maschine kurzzuschließen.
Vorteilhafterweise wird die Spannung in dem Zwischenkreis erfasst, um sie mit einem Minimal-Grenzwert oder mit einem Maximal-Grenzwert zu vergleichen. Wurde aufgrund eines Fehlerfalles die Maschine kurzgeschlossen, werden typischerweise bei Erreichen des Minimal-Grenzwertes, das heißt, dass die Spannung in dem Zwischenkreis gleich dem Minimal-Grenzwert ist oder dass die Spannung in dem Zwischenkreis den Minimal-Grenzwert unterschreitet, die oder alle Stromrichterventile, insbesondere die zuvor geschlossenen, geöffnet, um die Maschine im Freilauf zu betreiben. Dies bietet den Vorteil, dass der Zwischenkreis durch die Synchronmaschine über die Freilaufdioden des Wechselrichters wieder mit Energie versorgt werden kann, falls die elektrische Maschine noch ausreichend Rotationsenergie gespeichert hat.
Vorteilhafterweise nutzt die Erfindung dadurch die Rotationsenergie der elektrischen Maschine oder ein Bremsmoment der elektrischen Maschine aus, um eine Spannung in dem Zwischenkreis wieder zu erhöhen beziehungsweise einen Energiespeicher in dem Zwischenkreis wieder aufzuladen. Auf diese Weise ist es möglich, den Zwischenkreis auch bei einem Ausfall einer regulären Energieversorgung des Zwischenkreises zu verwenden, um eine Kontrolleinheit typischer Ausführungsformen der Erfindung mit Energie zu versorgen. Die Erfindung eignet sich insbesondere für einen Betrieb im Fehlerfall, insbesondere bei Ausfall einer Versorgungsspannung im Zwischenkreis oder bei einem Ausfall einer Energieversorgung in einem Kraftfahrzeug. Vorteile der Erfindung liegen dabei darin, dass mit Verfahren und Vorrichtungen der Erfindung ein zuverlässiges und sicheres Betreiben oder ein sicheres Handhaben einer permanentmagneterregten Synchronmaschine im Fehlerfall möglich sind, ohne dass es zu einem Blockieren der Maschine oder Überspannungen an den Klemmen der elektrischen Maschine kommt.
Typische Ausführungsformen der Erfindung umfassen eine Kontrolleinheit zum Ansteuern der Stromrichterventile. Die Stromrichterventile sind vorzugsweise Teil eines Wechselrichters, welcher im Regelbetrieb verwendet wird, um die elektrische Maschine mit Energie aus dem Zwischenkreis zu versorgen. Dies bietet den Vorteil, dass keine zusätzlichen Leistungsschalter benötigt werden, so dass Ausführungsformen kompakter, leichter oder einfacher aufgebaut sind im Vergleich zu Vorrichtungen aus dem Stand der Technik. Bei weiteren Ausführungsformen können jedoch auch zusätzliche Leistungsschalter vorgesehen sein. Als Stromrichterventile kommen insbesondere Halbleiterbauelemente in Betracht, welche ein Ein- und wieder Aus-Schalten der elektrischen Verbindungen ermöglichen, also beispielsweise allgemein Transistoren, wie IGBTs oder MOSFETs, oder ähnliche Bauelemente. Insbesondere ist mit den Stromrichterventilen vorzugsweise ein Ausschalten auch während einer Halbwelle möglich, ohne dass ein Nulldurchgang benötigt wird. Die Kontrolleinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Stromrichterventile in Abhängigkeit einer Spannung in dem Zwischenkreis derart zu schalten, so dass die elektrische Maschine kurzgeschlossen wird. Die Kontrolleinheit ist vorzugsweise geeignet, die Stromrichterventile zu öffnen oder zu schließen.
Bevorzugte Ausführungsformen umfassen eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Spannung in dem Zwischenkreis. Diese Erfassungseinrichtung kann bei Ausführungsformen dazu eingerichtet sein, aus verfügbaren Daten die Spannung im Zwischenkreis auszuwerten. Solche verfügbaren Daten können beispielsweise über ein Bussystem oder ein anderes Fahrzeuginformationssystem bereitgestellt werden. Bei vorteilhaften Ausführungsformen nutzt die Erfassungseinrichtung eine Spannungsmessungseinrichtung, welche im Regelbetrieb oder Normalbetrieb zur Regelung der Spannung im Zwischenkreis verwendet wird. Die Spannungsmessungseinrichtung umfasst insbesondere Spannungsteiler direkt im Zwischenkreis, so dass ein direkter Abgriff der Spannung erfolgt. Dies ermöglicht einen schnell reagierenden Regelkreis. Vorzugsweise umfasst die Kontrolleinheit eine Vergleichseinrichtung, um eine Spannung des Zwischenkreises mit zumindest einem Grenzwert zu vergleichen. Die Vergleichseinrichtung kann beispielsweise einen Komparator oder ein FPGA (Field Programmable Gate Array) umfassen oder aus zumindest einem Komparator und einem FPGA aufgebaut sein. An Stelle oder zusätzlich zu dem FPGA können auch Logik-Komponenten verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit ist, einen von einem Informationssystem bereitgestellten Wert für die Spannung in dem Zwischenkreis mit einem Grenzwert, insbesondere einem Minimal-Grenzwert zu vergleichen.
Vorzugsweise werden die Stromrichterventile geöffnet, falls ein Vergleich einer Spannung in dem Zwischenkreis mit einem Minimal-Grenzwert ergibt, dass der Minimal-Grenzwert erreicht oder unterschritten ist. Vorzugsweise ist der Grenzwert, welcher zum Öffnen der Stromrichterventile führt, ein Minimal-Grenzwert. Bei Ausführungsformen ist die Vergleichseinrichtung dazu eingerichtet, die Spannung mit einem Minimal-Grenzwert und mit einem Maximal-Grenzwert zu vergleichen. Dies bietet den Vorteil, dass ein Schließen zumindest eines Teils der Stromrichterventile bei Überschreiten oder Erreichen des Maximal-Grenzwertes zum Kurzschluss des Motors möglich ist und ein Öffnen der Stromrichterventile bei Erreichen oder Unterschreiten des Minimal-Grenzwertes.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen weist der Zwischenkreis einen Kapazitiven Energiegehalt auf, der zwischen einem Maximal-Grenzwert und einem Minimal-Grenzwert für die Zwischenkreisspannung größer ist als die Energie der Induktivität der elektrischen Maschine bei maximalem Strom, der so genannte „I peak“. Dies bedeutet, dass die Kapazität in dem Zwischenkreis vorzugsweise geeignet ist, um die maximal in der Induktivität der elektrischen Maschine gespeicherte elektrische Energie vollständig aufzunehmen. Dies bietet den Vorteil, dass der Zwischenkreis bzw. die Kapazität des Zwischenkreises als Energiespeicher verwendet werden kann, um die Kontrolleinheit oder die Vorrichtung autark zu betreiben. Vorzugsweise ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, unabhängig von einer weiteren Stromquelle oder einer Stromquelle betrieben zu werden. Die Vorrichtung ist vorteilhafterweise eingerichtet, um die für ihren Betrieb notwendige Energie vollständig oder zumindest teilweise der elektrischen Maschine zu entnehmen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, bei einem Ausfall sämtlicher Versorgungsspannungen ein Schließen und Öffnen der Stromrichterventile vor einem Stillstand der elektrischen Maschine zu ermöglichen. Dies wird insbesondere mit einem Energiespeicher, der bspw. in dem Zwischenkreis angeordnet ist, erreicht, insbesondere einem Kondensator oder einer Batterie in dem Zwischenkreis.
Bei typischen Ausführungsformen der Erfindung werden die Stromrichterventile wieder geschlossen, nachdem sie geöffnet wurden, um die Maschine wieder kurzzuschließen. Wiederrum wird vorzugsweise lediglich ein Teil der Stromrichterventile geschlossen, typischerweise solche Stromrichterventile, die ein Kurzschließen der Maschine ermöglichen. Dies bietet den Vorteil, dass nach einem Öffnen der Stromrichterventile und dem damit verbundenen Aufladen der Kapazität des Zwischenkreises wiederum in den Kurzschluss übergegangen wird, um Überspannungen zu vermeiden. Bei typischen Ausführungsformen wird die Spannung in dem Zwischenkreis mit einem Maximal-Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des Maximal-Grenzwertes zumindest ein Teil der Stromrichterventile geschlossen, um die Maschine kurzzuschließen. Bevorzugte Ausführungsformen sehen ein wiederholtes Öffnen und Schließen der Stromrichterventile vor, um die elektrische Maschine wiederholt im Kurzschluss und im Freilauf zu betreiben.
Auf diese Weise wird die Kapazität in dem Zwischenkreis im Freilauf nachgeladen, und zwar immer dann, wenn die Spannung in dem Zwischenkreis unter einen Minimal-Grenzwert schreitet oder diesen erreicht und der Kurzschluss geöffnet wird. Auf diese Weise wird die Energieversorgung der Kontrolleinheit zum Ansteuern der Stromrichterventile sichergestellt.
Bei Einsatz einer Vergleichseinrichtung, welche auf Hardwareebene realisiert ist, also beispielsweise durch einen Komparator und ein FPGA, kann erreicht werden, dass vollständig unabhängig von einer funktionierenden Software oder einer funktionierenden regulären Stromversorgung ein sicheres Herunterfahren der elektrischen Maschine ermöglicht wird. Dabei ist insbesondere für den Betrieb in Kraftfahrzeugen von Bedeutung, dass erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen auch eine zunehmende Drehzahl der elektrischen Maschine, beispielweise bei einer Bergabfahrt, handhaben können, da die Spannung in dem Zwischenkreis permanent in einem zulässigen Korridor zwischen dem Minimal-Grenzwert und dem Maximal-Grenzwert gehalten wird.
Um eine Energieversorgung der Kontrolleinheit sicherzustellen, ist der Minimal-Grenzwert vorzugsweise größer oder gleich einer minimalen Speisespannung der Energieversorgung der Kontrolleinheit zum Ansteuern der Stromrichterventile. Die Energieversorgung der Kontrolleinheit zum Ansteuern der Stromrichterventile umfasst vorzugsweise einen Abgriff der Spannung des Zwischenkreises, um die Energie des Zwischenkreises zum Betreiben der Kontrolleinheit zu verwenden. Auf diese Weise sind das Verfahren und die Vorrichtung typischer Ausführungsformen unabhängig von anderen Energieversorgungsmöglichkeiten. Zur Sicherstellung des Betriebs oder für den Regelbetrieb können jedoch weitere Energieversorgungsmöglichkeiten vorgesehen werden.
Typischerweise wird das Verfahren bis zu einem Stillstand der elektrischen Maschine betrieben. Dies bietet den Vorteil, dass durch die im Freilauf auslaufende elektrische Maschine kein Schaden an der Leistungselektronik verursacht werden kann. Es ist anzumerken, dass bei langsam werdender elektrischer Maschine eine Überschreitung des Maximal-Grenzwertes für die Spannung in dem Zwischenkreis nicht mehr möglich ist, da die Maschine zu wenig Rotationsenergie in der Endphase des Auslaufens aufweist. Dies bedeutet, dass bei typischen Verfahren der Erfindung der Maximal-Grenzwert nicht mehr erreicht wird, sodass die Stromrichterventile geöffnet bleiben. In der Folge läuft die Maschine in der Regel bis zum Stillstand im Freilauf. Dies bietet den Vorteil eines besonders sicheren Ausschaltens der elektrischen Maschine.
Bei typischen Ausführungsformen wird der Zwischenkreis bei einem Regelbetrieb aus einer Zwischenkreisenergieversorgung mit elektrischer Energie versorgt. Die Zwischenkreisenergieversorgung ist üblicherweise das Netz, in welchem die Energie für den Betrieb der elektrischen Maschine bereitgestellt wird, beispielsweise durch eine Batterie oder ein Bordnetz in einem Kraftfahrzeug oder durch ein Verteilernetz einer industriellen Anlage. Die Kontrolleinheit ist typischerweise dazu eingerichtet, in einem Störungsfallbetrieb, also beispielsweise bei Ausfall der Zwischenkreisenergieversorgung, die Stromrichterventile derart anzusteuern, dass die elektrische Maschine wiederholt kurzgeschlossen und wieder im Freilauf betrieben wird, um eine Versorgung der Kontrolleinheit mit elektrische Energie aus der elektrischen Maschine über den Zwischenkreis und über die Energieversorgung sicherzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei die Figuren zeigen:
1 eine Übersichtsskizze einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Übersichtsskizze;
3 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
4 ein typischer Verlauf der Spannung in dem Zwischenkreis bei Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise entsprechend der Beschreibung zu 3.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden die bevorzugten Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt. Bei der Beschreibung der Ausführungsform werden unter Umständen in verschiedenen Figuren und für verschiedene Ausführungsformen gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet, um die Beschreibung übersichtlicher zu gestalten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass entsprechende Teile der Erfindung auf die in den Ausführungsformen dargestellten Varianten beschränkt sind.
In der 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Zeichnung dargestellt. Die Vorrichtung dient dazu, eine permanenterregte beziehungsweise permanentmagneterregte Synchronmaschine 10 bei einem Fehlerfall handhaben zu können. Dabei betrifft ein üblicher Fehlerfall ein Ausfallen einer regulären Energieversorgung für den Zwischenkreis 20, welcher im Regelbetrieb mit einer bestimmten Gleichspannung, beispielsweise 300 Volt, betrieben wird. Zwischen der Synchronmaschine 10 und dem Zwischenkreis 20 ist ein Wechselrichter mit insgesamt sechs Stromrichterventilen 21–26 geschaltet, wobei parallel zu den Stromrichterventilen jeweils Dioden 31–36 vorgesehen sind. Die Stromrichterventile 21–26 mit den Dioden 31–36 bilden die Endstufe oder den Wechselrichter, welcher im Normalbetrieb zur Energieversorgung der Synchronmaschine 10 eingesetzt wird. Die Stromrichterventile 21–26 sind bei dem Ausführungsbeispiel der 1 als IGBTs ausgeführt. Weitere Ausführungsformen umfassen Stromrichterventile, welche MOSFETs umfassen. Die elektrische Maschine ist bei dem Ausführungsbeispiel der 1 eine permanentmagneterregte Synchronmaschine. Bei weiteren Ausführungsformen werden nicht dauererregte Synchronmaschinen oder andere elektrische Maschinen betrieben.
Die Stromrichterventile 21–26 werden mit einem Pulsweiten-Modulationsverfahren (PWM-Verfahren) angesteuert, wobei die Steuersignale von einer Kontrolleinheit 40 bereitgestellt werden. Die Kontrolleinheit 40 weist hierzu einen Ausgang 41 auf, um die Stromrichterventile 21–26 im PWM-Verfahren anzusteuern.
Bei Ausfall einer Energieversorgung, im Beispiel der 1 einer Batterie 50, z.B. durch Trennung der Energieversorgung durch Öffnung des Schalters 51 aufgrund eines Fehlerfalls durch eine übergeordnete Steuerung, soll ein gezieltes Auslaufenlassen oder Abbremsen der Synchronmaschine 10 erfolgen, ohne dass Bauteile des Zwischenkreises oder des Wechselrichters beschädigt werden. Daher gilt es, eine Überspannung an der Synchronmaschine 10 zu vermeiden. Hierzu wird bei einem Fehlerfall, wie bspw. einem Ausfall der Batterie 50 als reguläre Zwischenkreis-Energieversorgung, die Synchronmaschine 10 kurzgeschlossen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Stromrichterventile 21–23 auf leitend durch die Kontrolleinheit 40 gestellt werden. Eine andere Möglichkeit ist, die Stromrichterventile 24–26, welche die drei Phasen der Synchronmaschine 10 mit dem anderen Pol des Zwischenkreises verbinden, durchzuschalten, um einen Kurzschluss der Synchronmaschine 10 zu erreichen.
Die Kontrolleinheit 40 weist hierzu einen Signaleingang 42 auf, welcher der Kontrolleinheit 40 die Spannung im Zwischenkreis 20 zuführt. Die Kontrolleinheit 40 ist dazu eingerichtet, die Spannung in dem Zwischenkreis, welche über den Signaleingang 42 zugeführt wird, mit einem Minimal-Grenzwert und einem Maximal-Grenzwert zu vergleichen. Sollte die Spannung, nachdem im Fehlerfall die elektrische Maschine kurzgeschlossen wurde, unter den Minimal-Grenzwert fallen oder den Minimal-Grenzwert erreichen, so werden die zuvor geschlossenen Stromrichterventile 21–23 oder 24–26 wieder geöffnet, sodass die Synchronmaschine 10 im Freilauf betrieben wird. Über die Dioden 31–36 erfolgt dann im Freilaufbetrieb eine Einspeisung von elektrischer Energie in den Zwischenkreis 20. Zur Aufnahme der Energie ist in dem Zwischenkreis 20 ein Kondensator 60 angeordnet, welcher eine Kapazität zur Aufnahme der elektrischen Energie bereitstellt.
Bei typischen Ausführungsformen umfasst die Kontrolleinheit einen Signaleingang, um der Kontrolleinheit die Spannung im Zwischenkreis zur Verfügung zu stellen. In einem regulären oder normalen Betrieb wird diese Spannung typischerweise auch für die PWM-Regelung der Stromrichterventile verwendet. Bei einem Betrieb nach einem Auftreten eines Fehlers wird die über den Signaleingang übermittelte Spannung mit Grenzwerten verglichen. Dies kann mit denselben elektronischen Komponenten, die für die oben beschriebene PWM-Regelung benutzt werden oder mit anderen, auch zusätzlichen Komponenten durchgeführt werden.
Während des Freilaufbetriebs kann es zu einem Anstieg der Spannung im Zwischenkreis 20 kommen. Die Kontrolleinheit 40 überwacht die Spannung in dem Zwischenkreis 20 weiter und schließt die Synchronmaschine 10 mit Hilfe eines Teils der Stromrichterventile 21–26 wieder kurz, sobald ein Maximal-Grenzwert für die Spannung erreicht wird. Beispiele für Minimal-Grenzwerte sind mindestens 50 Volt, mindestens 100 Volt oder mindestens 200 Volt, Beispiele für Maximal-Grenzwerte sind maximal 250 Volt, maximal 400 Volt oder maximal 600 Volt.
Zur Versorgung der Kontrolleinheit 40 ist eine Energieversorgung 70 vorgesehen, welche elektrische Energie dem Zwischenkreis entnimmt und der Kontrolleinheit 40 zuführt. Dadurch, dass ein Unterschreiten eines Minimal-Grenzwertes für die Spannung im Zwischenkreis während eines Kurzschließens der Synchronmaschine 10 verhindert wird, wird gewährleistet, dass für die Dauer des Kurzschlussbetriebs die Kontrolleinheit 40 zuverlässig mit Energie versorgt wird. Die im normalen Betrieb für die PWM-Regelung verwendeten Komponenten der Kontrolleinheit 40 übernehmen vorzugsweise bei dem Ausführungsbeispiel der 1 die Regelung der Stromrichterventile 21 bis 26 auch im Fehlerfall.
In der 2 ist eine Modifikation der Ausführungsform der 1 gezeigt, wobei die Kontrolleinheit 40 zusätzlich über zwei Komparatoren und ein FPGA in einem Komparator-Block 80 verfügt, welcher eine abgegriffene Spannung des Zwischenkreises 20 mit einem 100 Volt-Eingangssignal als Minimal-Grenzwert und einem 400 Volt-Signal als Maximal-Grenzwert vergleicht. Wiederum sollte betont werden, dass die Wahl der Grenzwerte weitgehend beliebig ist, wobei die Grenzen üblicherweise derart festgelegt werden können, dass der Maximal-Grenzwert zuverlässig vor einer Beschädigung von Teilen der Elektronik schützt und der Minimal-Grenzwert zuverlässig eine Energieversorgung der Kontrolleinheit 40 über die Energieversorgung 70 sicherstellt. Anstelle des Komparator-Blocks 80 mit Digitallogik, wie er in der 2 gezeigt ist, können auch analoge Schaltkreise zum Einsatz kommen. Der Vorteil des Einsatzes solcher Hardware-Komponenten besteht darin, dass eine Energieversorgung von vielen anderen Komponenten der Kontrolleinheit 40 überflüssig wird. Die Kontrolleinheit 40 ist im Übrigen typischerweise auch unabhängig von weiteren Steuereinheiten des Kraftfahrzeugs oder von Steuereinheiten einer Industrieanlage. Wiederum kann die Ausführungsform, welche in der 2 gezeigt ist, wie die Ausführungsform der 1 auch außerhalb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, beispielsweise bei Förderanlagen oder anderen Industrieanwendungen.
In der 3 ist in einem schematischen Diagramm der Ablauf eines typischen Verfahrens einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Verfahren startet in einem Schritt 300 mit der Detektion eines Fehlerfalls, in diesem Fall mit dem Ausfall der regulären Stromversorgung für den Zwischenkreis. Die Erläuterung des Verfahrens nimmt dabei Bezug auf die Ausführungsbeispiele der 1 und 2. In einem Schritt 310 werden daraufhin die Stromrichterventile 21–23 leitend geschaltet, um die Synchronmaschine 10 kurzzuschließen. Diese Maßnahme dient dazu, Elektronikbauteile wie beispielsweise die Stromrichterventile 21–26 oder die Dioden 31–36 vor Beschädigungen zu schützen. Während des Kurzschlusses entnimmt die Kontrolleinheit 40 Energie über die Energieversorgung 70 aus dem Zwischenkreis 20, wobei der Kondensator 60 entladen wird. Dadurch fällt die Spannung in dem Zwischenkreis 20 ab. Die Spannung in dem Zwischenkreis wird in einem Schritt 320 fortlaufend überwacht, wobei bei einer Spannung oberhalb des Minimal-Grenzwertes von 100 Volt das Verfahren mit der Überwachung im Schritt 320 fortfährt. Bei Unterschreiten des Minimal-Grenzwertes von 100 Volt springt das Verfahren zu einem Schritt 330. Im Schritt 330 werden die Stromrichterventile 21–23 wieder geöffnet, sodass die Synchronmaschine 10 im Freilauf betrieben wird. Dabei wird der Kondensator 60 wieder aufgeladen. Fortlaufend wird in einem Verfahrensschritt 340 überwacht, ob die Spannung in dem Zwischenkreis 20 einen Maximal-Grenzwert von 400 Volt erreicht. Solange der Maximal-Grenzwert nicht erreicht ist, wird die Überwachung fortgesetzt. Bei Überschreiten des Maximal-Grenzwertes von 400 Volt erfolgt wiederum ein Kurzschluss durch Schließen der Stromrichterventile 21–23, das heißt, das Verfahren springt zum Schritt 310 zurück. Wiederum wird im Schritt 320 überprüft, ob der Minimal-Grenzwert von 100 Volt erreicht oder unterschritten wird, um in einem solchen Fall wiederum im Schritt 330 ein Öffnen der Stromrichterventile 21–23 zu veranlassen. Das Verfahren läuft von selbst aus, wobei in der Regel die Synchronmaschine 10, insbesondere dann, falls keine zusätzliche Energieeinwirkung von außen auftritt, im Freilauf ausläuft. In diesem Fall kommt zwar auch die Energieversorgung der Kontrolleinheit 40 (siehe 2) zum Erliegen, allerdings ist für diesen Fall auch eine weitere Energieversorgung der Kontrolleinheit 40 nicht zwingend notwendig, da ein Herunterfahren der Synchronmaschine 10 im Fehlerfall zuverlässig stattgefunden hat und die geringeren Spannungen nun unkritisch für die Elektronik sind.
Bei weiteren typischen Ausführungsformen läuft die Überwachung zumindest des Grenzwertes für die maximale Spannung, also des Maximal-Grenzwertes, im normalen Betrieb mit, so dass unabhängig von einer anderen Auslösung selbständig bei Überschreiten des maximalen Grenzwertes ein Kurzschließen der elektrischen Maschine erfolgt und vorzugsweise auch in den Fehlerbetrieb übergegangen wird. Auf diese Weise wird ein hohes Sicherheitsniveau zum Schutz der elektronischen Komponenten erreicht.
Die besonderen Vorteile der Erfindung sind, dass die Vorrichtung beziehungsweise das Verfahren autark von weiteren Energiequellen und auch autark von weiteren Informationsquellen, insbesondere die Ausführungsform der 2, ein Herunterfahren der Synchronmaschine 10 in einem Störfall erreichen. Irgendwann während des Verfahrens ist die Drehzahl der Synchronmaschine soweit reduziert, dass nach dem Öffnen des Kurzschlusses im Schritt 330 der Maximal-Grenzwert für das Wieder-Schließen der Stromrichterventile nicht erreicht wird, das heißt, das Verfahren läuft in der Schleife des Schrittes 340 aus. Ein besonderer Vorteil ist, dass bei einer solchen Betriebsweise quasi nebenbei auch ein hohes Kurzschlussmoment der elektrischen Maschine bei niedrigen Drehzahlen ausgeblendet wird, da solche niedrigen Drehzahlen im Regelfall in der Schleife des Schrittes 340, das heißt bei einem Freilauf der elektrischen Maschine, durchfahren werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine separaten zusätzlichen Bauteile im großen Umfang nötig sind, vielmehr wird der Kurzschluss über die Endstufe eines ohnehin vorhandenen Umrichters vorzugsweise durchgeführt. Bei weiteren Ausführungsformen können jedoch auch zusätzliche Stromrichtungsschalter zu der Endstufe vorgesehen sein.
Um den Zustand der Spannung im Zwischenkreis zu verdeutlichen, ist in der 4 ein beispielhafter Verlauf der Spannung im Zwischenkreis bei Durchführung eines Verfahrens entsprechend dem in der 3 dargestellten Verfahren mit einer Vorrichtung wie der in der 2 dargestellten Vorrichtung gezeigt.
Zunächst wird die Synchronmaschine im Regelbetrieb betrieben, wobei im Zwischenkreis eine Spannung von 300 Volt herrscht. Dann kommt es zu einem Ausfall der regulären Stromversorgung des Zwischenkreises, Punkt 400. Bei Unterschreiten einer minimalen regulären Betriebsspannung (Punkt 410) erfolgt der Start des Verfahrens der 3, es kommt zu einem Kurzschließen der Endstufe entsprechend dem Schritt 310. Daraufhin fällt die Spannung im Zwischenkreis weiter ab bis zu dem Minimal-Grenzwert von 100 Volt. Nun werden die Stromrichterventile wieder geöffnet, Schritt 330 des Verfahrens, Punkt 420 in der 4. Im Freilaufbetrieb lädt sich der Kondensator des Zwischenkreises auf, bis ein Maximal-Grenzwert von 400 Volt für die Spannung im Zwischenkreis erreicht wird, Punkt 430 in der 4. Nun wird wiederum die Synchronmaschine kurzgeschlossen (Schritt 310 des Verfahrens in der 3).
Diese Schleife wird fortgesetzt, bis die Rotationsenergie der Synchronmaschine nicht mehr ausreicht, um den Maximal-Grenzwert zu erreichen. Trotz geöffneter Stromrichterventile fällt die Spannung nach Überschreiben eines Maximums, Punkt 440, wieder ab, bis die Synchronmaschine im Freilauf zum Stillstand ausdreht, Punkt 450.
Bezugszeichenliste

10: Synchronmaschine
21–26: Stromrichterventile
31–36: Dioden
40: Kontrolleinheit
41: Signalausgang
42: Signaleingang
50: Batterie
51: Schalter
60: Kondensator
70: Energieversorgung
80: Komparator-Block
300–340: Verfahrensschritte
400–450: Punkte im Diagramm der 4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0970840 A2 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (10), insbesondere zum Kurzschließen einer permanenterregten Synchronmaschine (10), wobei die Maschine (10) durch Stromrichterventile (21–26) mit einem Zwischenkreis (20) verbunden ist, mit: – Schließen zumindest eines Teils der Stromrichterventile (21–26), um die Maschine (10) kurzzuschließen, – Vergleichen einer Spannung in dem Zwischenkreis (20) mit einem Minimal-Grenzwert für die Spannung (20) in dem Zwischenkreis (20), und – Öffnen der Stromrichterventile (21–26) in Abhängigkeit des Vergleichs, um die Maschine (10) im Freilauf zu betreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch nochmaliges Schließen zumindest eines Teils der Stromrichterventile (21–26) nach dem Öffnen der Stromrichterventile (21–26), um die Maschine (10) wieder kurzzuschließen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch – Vergleich der Spannung in dem Zwischenkreis (20) mit einem Maximal-Grenzwert, – Schließen zumindest eines Teils der Stromrichterventile (21–26) bei Überschreiten des Maximal-Grenzwertes, um die Maschine (10) kurzzuschließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichterventile (21–26) wiederholt geöffnet und/oder geschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimal-Grenzwert größer oder gleich einer minimalen Speisespannung einer Energieversorgung (70) einer Kontrolleinheit (40) zum Ansteuern der Stromrichterventile (21–26) ist.
Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine (10), insbesondere zum Kurzschließen einer permanenterregten Synchronmaschine (10), mit – Stromrichterventilen (21–26), welche einerseits mit einem Zwischenkreis (20) und andererseits mit der elektrischen Maschine (10) verbunden sind, – einer Kontrolleinheit (40) zum Ansteuern der Stromrichterventile (21–26), wobei die Kontrolleinheit (40) dazu eingerichtet ist, über die Stromrichterventile (21–26) in Abhängigkeit einer Spannung in dem Zwischenkreis die elektrische Maschine kurzzuschließen und/oder im Freilauf zu betreiben.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (40) eine Vergleichseinrichtung umfasst zum Vergleichen der Spannung des Zwischenkreises mit zumindest einem Grenzwert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis (20) eine Kapazität aufweist, deren Energiegehalt zwischen einem Maximal-Grenzwert und einem Minimal-Grenzwert für die Spannung des Zwischenkreises größer ist als die Energie der Induktivität bei einem maximalen Strom der elektrischen Maschine (10).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Energieversorgung (70) zum Versorgen der Kontrolleinheit (40) mit elektrischer Energie aus dem Zwischenkreis (20).
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis (20) bei einem Regelbetrieb aus einer Zwischenkreisenergieversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird und die Kontrolleinheit (40) dazu eingerichtet ist, in einem Störungsfallbetrieb bei einem Ausfall der Zwischenkreisenergieversorgung die Stromrichterventile (21–26) derart anzusteuern, dass die elektrische Maschine (10) wiederholt kurz geschlossen und wieder im Freilauf betrieben wird, um eine Versorgung der Kontrolleinheit (40) mit elektrischer Energie aus der elektrischen Maschine (10) über den Zwischenkreis (20) und über die Energieversorgung (70) sicher zu stellen.