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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall sowie ein Computerprogrammprodukt, welches einen Programmcode aufweist, der dazu ausgebildet ist, auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät, die Durchführung eines solchen Verfahrens zu veranlassen.
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Elektrische Maschinen, wie beispielsweise permanent erregte Synchronmaschinen, können in vielen technischen Bereichen eingesetzt werden. Beispielsweise werden solche permanent erregten Synchronmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Aus Sicherheitsgründen müssen dabei Vorkehrungen für einen Betriebszustand bei einem Fehlerfall getroffen werden. Eine Möglichkeit einen solchen Betriebszustand einzustellen ist dabei der aktive Kurzschluss (AKS). Dabei werden mittels geeigneter Schaltelemente die Anschlüsse der elektrischen Maschine kurzgeschlossen. Auf diese Weise können Schäden beim Auftreten von zu hohen elektrischen Spannungen, wie sie in einem Fehlerfall auftreten, vermieden werden.
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Bei einem aktiven Kurzschluss können jedoch transiente Kurzschlussströme entstehen, die ziemlich groß sein können und ebenfalls zu Schäden des Antriebs führen können. Um solche Schäden zu vermeiden, kann eine überschlägige Dimensionierung der Antriebskomponenten erfolgen, die jedoch sehr aufwendig ist.
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Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, auf einfache Weise eine elektrische Maschine und ihre Ansteuerschaltung vor Schäden durch transiente Ströme zu schützen.
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Demgemäß wird eine Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall vorgeschlagen. Die elektrische Maschine weist dabei drei Phasenanschlüsse auf. Eine Überwachungseinheit ist vorgesehen, um einen Fehlerfall der elektrischen Maschine zu detektieren. Ein Fehlerfall kann z.B. dabei erkannt werden, wenn eine elektrische Spannung an den Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt oder wenn ein Phasen - bzw. Wicklungskurzschluss oder weitere Fehlerfälle detektiert werden.
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Für einen solchen Fall ist eine Umschalteinheit zum Umschalten der elektrischen Maschine von einem normalen Betriebszustand in einen Kurzschluss-Betriebszustand vorgesehen. Die Umschalteinheit ist dabei dazu eingerichtet, die drei Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine nach einem vordefinierten Muster asynchron kurzzuschließen. Das bedeutet, dass die einzelnen Phasenanschlüsse versetzt zueinander kurzgeschlossen werden, also mit einer Verzögerung eines Phasenanschlusses. Hierbei sind immer zwei Phasenanschlüsse mit oder ohne Verzögerung gleichzeitig kurzgeschlossen.
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Durch das asynchrone Kurzschließen der drei Phasenanschlüsse gemäß einem vordefinierten Muster können die transienten (Phasen-)Ströme, die bei dem aktiven Kurzschluss auftreten können, reduziert werden. Diese Reduzierung der Phasenströme wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Bauteile in der Ansteuerschaltung für die elektrische Maschine aus. Darüber hinaus können auch die dabei verwendeten Bauteile aufgrund der geringeren zu erwartenden Phasenströme schwächer und somit kostengünstiger dimensioniert werden. Ebenso wirken sich die verringerten transienten Phasenströme auch positiv auf die Dimensionierung und die Lebensdauer der elektrischen Maschine selbst aus.
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Die jeweilige Einheit, zum Beispiel Umschalteinheit, kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann die jeweilige Einheit als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als logische Schaltung, ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die jeweilige Einheit als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes, der in einem Steuergerät läuft, oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Speichereinheit zum Speichern eines vordefinierten Musters als Lookup-Tabelle. Insbesondere ist in der Speichereinheit eine Mehrzahl von vordefinierten Mustern gespeichert. Basierend auf aktuellen Parametern der elektrischen Maschine kann auf einfache Weise ein passendes gespeichertes Muster ausgewählt werden. Das Muster definiert dabei das Phasenschaltmuster, d.h. in welcher Reihenfolge und mit welchem Versatz die verschiedenen Phasen kurzgeschlossen werden.
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Beispielsweise kann die Umschalteinheit dazu eingerichtet sein, eines der Mehrzahl von vordefinierten Mustern basierend auf einem aktuellen Winkel des Rotors der elektrischen Maschine auszuwählen. Hierbei kann immer dasjenige Muster ausgewählt werden, welches für einen Winkel gespeichert ist, der ausgehend von einer vordefinierten Winkeltoleranz am nächsten an dem aktuellen Winkel ist. Die Umschalteinheit kann somit eines der Mehrzahl von vordefinierten Muster basierend auf einem vordefinierten Winkeltoleranzbereich auswählen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Umschalteinheit dazu eingerichtet, eines der Mehrzahl von vordefinierten Mustern basierend auf einer gewünschten Variante zum Abschalten des Rotors der elektrischen Maschine auszuwählen. Die Variante kann dabei eine Unterdrückung von transienten Kurzschlussströmen oder eine Entladung eines Zwischenkreiskondensators sein.
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Zum Ablauf eines gesteuerten aktiven Kurzschlusses können verschiedene Varianten gespeichert sein. Hierbei kann entweder die Unterdrückung von transienten Kurzschlussströmen oder die Entladung des Zwischenkreiskondensators im Fokus stehen.
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Bei der Unterdrückung von transienten Strömen kann in zeitlich unkritischen Fehlerfällen abgewartet werden, bis der Rotor in eine von den optimalen Positionen (elektrischer Winkel) kommt, danach kann der gesteuerte aktive Kurzschluss entsprechend einem gespeicherten Muster ausgeführt werden. In diesem Fall kann die effizienteste Unterdrückung von transienten Strömen erzielt werden.
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Wenn der aktive Kurzschluss unverzüglich ausgeführt werden muss, kann abhängig von der Rotorposition ein optimalstes Schaltmuster ausgewählt werden, welches immer noch eine bedeutende Unterdrückung von transienten Strömen ermöglicht.
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Gleichzeitig mit der Unterdrückung der transienten Ströme kann die Vorrichtung eingesetzt werden, um den Zwischenkreiskondensator zu entladen. Dies ist möglich, wenn der Hochvoltspeicher der elektrischen Maschine gleichzeitig mit dem Schalten des aktiven Kurzschlusses vom Zwischenkreis abgetrennt wird. In diesem Fall würde die Energie aus der elektrischen Maschine in den Zwischenkreis fließen und nur durch den Zwischenkreiskondensator aufgenommen werden. Die Zwischenkreisspannung kann dabei auf einen kritischen Wert ansteigen, der zu einem Kondensatorschaden führen kann.
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Durch das asynchrone Kurzschließen nach einem vordefinierten Muster kann der Energiefluss umgeleitet werden, was für die Entladung des Zwischenkreiskondensators benutzt werden kann. Bei einem vergrößerten Abschaltzeitversatz (z.B. 400 oder 500 µs) und einem entsprechenden elektrischen Rotorwinkel kann der Zwischenkreiskondensator vollständig entladen werden.
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Als Varianten für die Entladung des Zwischenkreiskondensators können dabei ebenfalls eine unverzügliche Ausführung des aktiven Kurzschlusses oder eine Ausführung des aktiven Kurzschlusses bei optimalem Rotorwinkel vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform definiert das vordefinierte Muster eine Verzögerung zwischen einem Kurzschließen des ersten, zweiten und dritten Phasenanschlusses.
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Wie sich in Experimenten herausgestellt hat, können die transienten Ströme bei einem positiven elektromagnetischen Moment optimal unterdrückt werden, wenn die folgenden Gleichungen erfüllt werden:
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Ud stellt dabei die Längsphasenspannung und Uq die Querphasenspannung dar.
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Basierend auf diesen Gleichungen können verschiedene Schaltmuster ermittelt und dann gespeichert werden, die diese Bedingungen erfüllen.
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In den Tabellen 1 und 2 sind beispielhafte optimale Schaltmuster und die entsprechenden optimalen Rotorpositionen (elektrischer Rotorwinkel Θ
el) dargestellt.
Tabelle 1: optimale Winkel bei Bedingung U
d = 0, U
q = U
min | u | v | w | Θel: Uq = min, Ud = 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0,5235 |
| 1 | 0 | 0 | 1,571 |
| 1 | 1 | 0 | 2,618 |
| 0 | 1 | 0 | 3,665 |
| 0 | 1 | 1 | 4,712 |
| 0 | 0 | 1 | 5,76 |
Tabelle 2: optimale Winkel bei Bedingung U
d = U
q; U
d < 0, U
q < 0
| u | v | w | Θel: Ud = Uq, Ud < 0, Uq < 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0,2618 |
| 1 | 0 | 1 | 1,309 |
| 1 | 0 | 0 | 2,356 |
| 1 | 1 | 0 | 3,403 |
| 0 | 1 | 0 | 4,451 |
| 0 | 1 | 1 | 5,498 |
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Die Erfüllung der Bedingungen kann dadurch erzielt werden, dass die entsprechenden Phasen mit einem Zeitversatz kurzgeschlossen werden, damit die notwendigen Spannungen kurzzeitig aufgebaut werden können. So werden beispielsweise beim Schaltmuster u = 1, v = 1, w = 0 (wobei u, v, w jeweils eine Phase darstellen) nach dem Auftreten eines Fehlerfalls die Kurzschlüsse der Phasen u und v im Vergleich zur Phase w um eine definierbare Zeit Δt verzögert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall vorgeschlagen, wobei die elektrische Maschine drei Phasenanschlüsse aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Detektieren eines Fehlerfalls der elektrischen Maschine und Umschalten der elektrischen Maschine von einem normalen Betriebszustand in einen Kurzschluss-Betriebszustand, wenn ein Fehlerfall der elektrischen Maschine detektiert wird, wobei die drei Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine nach einem vordefinierten Muster asynchron kurzgeschlossen werden.
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Die für die vorgeschlagene Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.
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Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches einen Programmcode aufweist, der dazu ausgebildet ist, auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät, die Durchführung des wie oben erläuterten Verfahrens zu veranlassen.
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Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogramm-Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall;
- 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Vorrichtung von 1 im Gesamtumfeld der elektrischen Maschine;
- 3 zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips der Vorrichtung von 1;
- 4 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Quer- und Längsphasenspannungen der elektrischen Maschine; und
- 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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1 eine Vorrichtung 10 zum Absichern einer elektrischen Maschine 20 in einem Fehlerfall. Die elektrische Maschine 20 weist drei Phasenanschlüsse u, v, w auf, wie es in Zusammenhang mit 2 und 3 näher beschrieben ist.
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Eine Überwachungseinheit 11 der Vorrichtung 10 überwacht die elektrische Maschine 20 und detektiert den Auftritt eines Fehlerfalls. Wird ein solcher Fehlerfall detektiert, schaltet eine Umschalteinheit 12 die elektrische Maschine 20 von einem normalen Betriebszustand in einen Kurzschluss-Betriebszustand. Um dies zu erreichen, werden die drei Phasenanschlüsse u, v, w der elektrischen Maschine 20 nach einem vordefinierten Muster asynchron kurzgeschlossen.
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Das Prinzip dieses Umschaltens wird nun in Zusammenhang mit den 2 und 3 näher erläutert.
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Die Überwachungseinheit 11 sendet ein Notlaufsignal an die Umschalteinheit 12.
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Nach dem Eingang des Notlauf-Signals wird die Generierung von Wechselrichter-Steuerimpulsen vom PWM-Nennbetriebs-Modul 22 auf eine Notlauf-Logik umgeschaltet, die durch die Vorrichtung 10 von 1 bereitgestellt wird.
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Die Vorrichtung 10 führt dabei eine optimale Abschaltstrategie über den Wechselrichter 21 im Sinne der Unterdrückung von transienten Kurzschlussströmen oder Entladung des Zwischenkreiskondensators durch. Das optimale Abschaltmuster wird basierend auf einem aktuellen elektrischen Rotorwinkel, einer Winkeltoleranz und der Auswahl einer Variante nach dem Eingang eines Notlauf-Signals ausgewählt. Bei den Varianten kann zwischen folgenden Optionen unterschieden werden:
- 1. Unverzügliche Ausführung des aktiven Kurzschlusses, das Abschaltmuster ist für die Unterdrückung von transienten Kurzschlussströmen optimiert
- 2. Unverzügliche Ausführung des aktiven Kurzschlusses, das Abschaltmuster ist für die Entladung des Zwischenkreiskondensators optimiert
- 3. Ausführung des aktiven Kurzschlusses in einer von mehreren optimalen Rotorpositionen, das Abschaltmuster ist für die Unterdrückung von transienten Kurzschlussströmen optimiert
- 4. Ausführung des aktiven Kurzschlusses in einer von mehreren optimalen Rotorpositionen, das Abschaltmuster ist für die Entladung des Zwischenkreiskondensators optimiert
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Das generierte oder ausgewählte optimale Abschaltmuster für die Phase u{0, 1}, v{0, 1} und w {0, 1}, wird mit den benötigten Abschaltzeitversätzen 24 multipliziert. Diese Versätze oder Delays werden in Block 23 von 3 erzeugt.
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In den erzeugten Wechselrichter-Steuerimpulsen wird der Zeitpunkt des Kurzschlusses für eine oder zwei Phasen um den Abschaltzeitversatz verzögert, um während des Schaltens des aktiven Kurzschlusses die transienten Ströme optimal zu unterdrücken.
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Ein Beispiel für den Verlauf der Quer- und Längsphasenspannungen Ud (1) und Uq (2) ist in 4, oben, gezeigt. In diesem Fall wird das Schaltmuster 1, 1, 0 verwendet, wobei zunächst die Phase w kurzgeschlossen wird und anschließend die Phasen u und v. Das untere Diagramm von 4 zeigt den Rotorwinkel 3. Wie gesehen werden kann, gibt es pro eine Periode 0 - 2 π zwei optimale elektrische Rotorwinkel.
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5 zeigt ein Verfahren zum Absichern einer elektrischen Maschine 20 in einem Fehlerfall. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf.
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In einem ersten Schritt 301 wird ein Fehlerfall der elektrischen Maschine 20 detektiert.
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Anschließend wird in einem zweiten Schritt 302 die elektrische Maschine 20 von einem normalen Betriebszustand in einen Kurzschluss-Betriebszustand umgeschaltet, wobei die drei Phasenanschlüsse u, v, w der elektrischen Maschine 20 nach einem vordefinierten Muster asynchron kurzgeschlossen werden.
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Durch die vorgeschlagene Vorrichtung ist es möglich, die transienten Kurzschlussströme um einen Faktor von 1, 5 bis 2 zu unterdrücken. Da keine überschlägige Dimensionierung der elektrischen Maschine und Leistungselektronik notwendig ist, fallen geringere Kosten sowie Bauraum an. Des Weiteren wird keine zusätzliche Hardware benötigt. Zusätzlich kann der Zwischenkreiskondensator während des aktiven Kurzschlusses entladen werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ud
- 2
- Uq
- 3
- Rotorwinkel
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Überwachungseinheit
- 12
- Umschalteinheit
- 20
- elektrische Maschine
- 21
- Wechselrichter
- 22
- PWM-Nennbetrieb
- 23
- Verzögerungserzeugung
- 24
- Verzögerung
- 301-302
- Verfahrensschritte
