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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einer Rotorerregung-Schaltung einer Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch die Rotorerregung-Schaltung der Synchronmaschine.
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Eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine weist üblicherweise einen feststehenden Stator und einen rotierenden Rotor mit einer mit dem Rotor rotierenden Rotor-Wicklung. Mittels eines induktiven Energieübertragers bzw. Drehtransformators wird Energie für die rotierende Rotor-Wicklung von dem Drehtransformator-Stator übertragen. Bei der Energieübertragung entstehen Verluste, die zur Temperaturerhöhung der Rotor-Wicklung führen. Wird eine maximale Temperatur an der Rotor-Wicklung überschritten, so können beispielsweise die Isolation beschädigt oder die Alterung der Materialien beschleunigt werden. Für den sicheren Betrieb der Synchronmaschine muss demnach die Temperatur der Rotor-Wicklung bekannt sein, um die maximal erlaubbare Leistung der Synchronmaschine bestimmen zu können. Nachteiligerweise kann die Temperatur in der rotierenden Rotor-Wicklung nur aufwändig bestimmt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur in einer Rotorerregung-Schaltung einer Synchronmaschine und eine Rotorerregung-Schaltung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Temperatur der Rotor-Wicklung indirekt aus dem elektrischen Widerstand zu bestimmen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Bestimmung einer Temperatur in einer Rotorerregung-Schaltung einer Synchronmaschine vorgesehen. Die Synchronmaschine weist dabei einen induktiven Drehtransformator mit einer primärseitigen feststehenden Transformator-Wicklung und einer sekundärseitigen rotierenden Transformator-Wicklung und eine sekundärseitige rotierende Rotor-Wicklung auf. In dem Verfahren wird zuerst eine primärseitig anliegende Eingangsspannung der Rotorerregung-Schaltung gemessen. Dann wird eine an der Rotor-Wicklung anliegende Wicklung-Spannung berechnet, wobei dazu weitere in der Rotorerregung-Schaltung abfallende Spannungen berechnet und von der Eingangsspannung subtrahiert werden. Danach wird aus der berechneten Wicklung-Spannung und einem bekannten in der Rotor-Wicklung fließenden Wicklung-Strom ein aktueller elektrischer Wicklung-Widerstand der Rotor-Wicklung berechnet. Anschließend wird aus dem berechneten aktuellen Wicklung-Widerstand eine Temperatur der Rotor-Wicklung berechnet.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Wicklung-Widerstand der Rotor-Wicklung indirekt aus der berechneten Wicklung-Spannung und dem bekannten Wicklung-Strom berechnet. Dadurch ist keine direkte Messung an der Rotor-Wicklung und daher eine Signalübertragung von der sekundärseitigen rotierenden Rotor-Wicklung auf den primärseitigen und feststehenden Teil der Rotorerregung-Schaltung notwendig. Vorteilhafterweise kann so die Temperatur der Rotor-Wicklung vereinfacht bestimmt werden. Entsprechend kann die maximal erlaubbare Leistung der Synchronmaschine vereinfacht bestimmt und die Synchronmaschine sicher betrieben werden.
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Die Eingangsspannung kann vorteilhafterweise primärseitig an dem Drehtransformator gemessen werden. Insbesondere kann die Eingangsspannung an der primärseitigen Transformator-Wicklung gemessen werden. Die Eingangsspannung kann also einer an der primärseitigen Transformator-Wicklung abfallenden Spannung gleichgesetzt werden. Die entsprechende Messstelle kann dabei primärseitig vor dem Drehtransformator liegen. Alternativ kann die Eingangsspannung an einer Batterie eines Kraftfahrzeugs gemessen werden oder durch eine Batteriespannung einer Batterie eines Kraftfahrzeugs vorgegeben werden. Alternativ kann die Eingangsspannung an einem Zwischenkreiskondensator gemessen werden. Der Zwischenkreiskondensator kann dabei der primärseitigen Transformator-Wicklung des Drehtransformators vorgeschaltet sein bzw. zwischen einem Gleichspannung-Anschluss und der primärseitigen Transformator-Wicklung des Drehtransformators geschaltet sein. Nach der Messung der Eingangsspannung werden weitere in der Rotorerregung-Schaltung abfallende Spannungen berechnet und zum Berechnen der Wicklung-Spannung von der Eingangsspannung subtrahiert. Bei der Berechnung der Wicklung-Spannung werden zweckgemäß nur die Spannungen von der Eingangsspannung subtrahiert, die zwischen der Messstelle der Eingangsspannung und der Rotor-Wicklung abfallen. Es versteht sich, dass je nach der Messstelle der Eingangsspannung die Wicklung-Spannung diesbezüglich abweichend berechnet wird. Die Eingangsspannung kann vorteilhafterweise periodisch in bestimmten Zeitabschnitten gemessen und die Temperatur der Rotor-Wicklung kann periodisch in bestimmten Zeitabschnitten berechnet wird. Dadurch kann der Betrieb der Synchronmaschine sicher geregelt werden.
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Bei der Berechnung der Wicklung-Spannung kann der Drehtransformator mit der primärseitigen feststehenden Transformator-Wicklung und der sekundärseitigen rotierenden Transformator-Wicklung in einen T-Transformator mit einem primärseitigen und einem sekundärseitigen Widerstand, einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Streu-Induktivität und einer Magnetisierungs-Induktivität transformiert werden.
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Dann können eine primärseitige Widerstand-Spannung und eine sekundärseitige Widerstand-Spannung von der Eingangsspannung subtrahiert werden. Die primärseitige Widerstand-Spannung ist dabei durch den primärseitigen elektrischen Widerstand des induktiven transformierten Drehtransformators und die sekundärseitige Widerstand-Spannung ist durch den sekundärseitigen elektrischen Widerstand des induktiven transformierten Drehtransformators bedingt.
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Zudem können eine primärseitige Induktivität-Spannung und eine sekundärseitige Induktivität-Spannung von der Eingangsspannung subtrahiert werden. Die primärseitige Induktivität-Spannung ist dabei durch die primärseitige Streu-Induktivität des induktiven transformierten Drehtransformators und die sekundärseitige Induktivität-Spannung ist durch die sekundärseitige Streu-Induktivität des induktiven transformierten Drehtransformators bedingt.
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Bei der Berechnung der Wicklung-Spannung können zudem eine Wicklungszahl der primärseitigen Transformator-Wicklung und eine Wicklungszahl der sekundärseitigen Transformator-Wicklung berücksichtigt werden.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass die Rotorerregung-Schaltung einen sekundärseitigen Gleichrichter aufweist. Der Gleichrichter kann dabei zwischen der sekundärseitigen Transformator-Wicklung und der Rotor-Wicklung elektrisch geschaltet sein. Bei der Berechnung der Wicklung-Spannung kann dann eine an dem Gleichrichter abfallende Gleichrichter-Spannung von der Eingangsspannung subtrahiert werden. Der Gleichrichter kann abweichend ausgebildet sein. So kann der Gleichrichter ein Wechselgleichrichter oder Brückengleichrichter oder ein Vollbrückengleichrichter mit Mittelpunktanzapfung oder ein anders ausgestalteter Gleichrichter sein. Je nach der Ausführungsform des Gleichrichters kann die an dem Gleichrichter abfallende Gleichrichter-Spannung unterschiedlich sein. Ist der Gleichrichter beispielweise durch den Brückengleichrichter abgebildet, so kann die Gleichrichter-Spannung durch eine zweifache Vorwärtsspannung von Dioden des Gleichrichters vorgegeben werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Rotorerregung-Schaltung einer Synchronmaschine. Die Rotorerregung-Schaltung weist dabei einen induktiven Drehtransformator mit einer primärseitigen feststehenden Transformator-Wicklung und einer sekundärseitigen rotierenden Transformator-Wicklung und eine sekundärseitige rotierende Rotor-Wicklung auf. Die Rotorerregung-Schaltung weist zudem eine Steuerung zum Ausführen des oben beschriebenen Verfahrens auf. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird an dieser Stelle auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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Die Rotorerregung-Schaltung kann vorteilhafterweise einen Gleichrichter, der sekundärseitig zwischen der sekundärseitigen Transformator-Wicklung und der Rotor-Wicklung elektrisch geschaltete ist, aufweisen. Die Rotorerregung-Schaltung kann auch einen Wechselrichter, der der primärseitigen Transformator-Wicklung vorgeschaltet ist, aufweisen.
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Liegt an der Rotorerregung-Schaltung primärseitig eine Gleichspannung - beispielwiese eine Hochvolt-Bordnetz-Spannung einer Batterie - an, so kann diese durch den Wechselrichter in eine primärseitige Wechselspannung für den Drehtransformator transformiert werden. Die primärseitige Wechselspannung in der primärseitigen Transformator-Wicklung induziert eine sekundärseitige Wechselspannung in der sekundärseitigen Transformator-Wicklung. Die sekundärseitige Wechselspannung kann dann anschließend durch den Gleichrichter in eine Gleichspannung für die sekundärseitige Rotor-Wicklung transformiert werden.
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Um eine magnetische Kopplung zwischen den beiden Transformator-Wicklungen zu verbessern, kann die Rotorerregung-Schaltung einen feststehenden Magnetkern aufweisen. Der Magnetkern umgibt dann die primärseitige Transformator-Wicklung und die sekundärseitige Transformator-Wicklung zumindest teilweise nach außen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine teilweise Schnittansicht einer Synchronmaschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorerregung-Schaltung;
- 2 eine Schnittansicht der Synchronmaschine im Bereich eines Drehtransformators in der erfindungsgemäßen Rotorerregung-Schaltung;
- 3 und 4 ein Schaltbild und ein Ersatz-Schaltbild der erfindungsgemäßen Rotorerregung-Schaltung.
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1 zeigt eine teilweise Schnittansicht einer Synchronmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Rotorerregung-Schaltung 2. Die Rotorerregung-Schaltung 2 umfasst dabei einen induktiven Drehtransformator 3 mit einer primärseitigen feststehenden Transformator-Wicklung 4a und einer sekundärseitigen rotierenden Transformator-Wicklung 4b. Die sekundärseitige rotierende Transformator-Wicklung 4b ist dabei auf einer Leiterplatte 5 als sogenannte Planarwicklung ausgebildet. Zur besseren magnetischen Kopplung zwischen den beiden Transformator-Wicklungen 4a und 4b sind diese innerhalb eines feststehenden Magnetkerns bzw. Ferritkerns 6 angeordnet. Zudem weist die Rotorerregung-Schaltung 2 auch eine sekundärseitige rotierende Rotor-Wicklung 7 auf. 2 zeigt eine teilweise Schnittansicht der Synchronmaschine 1 im Bereich des Drehtransformators 3.
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3 zeigt ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Rotorerregung-Schaltung 2. Die Rotorerregung-Schaltung 2 weist dabei neben dem Drehtransformator 3 und der Rotor-Wicklung 7 einen Wechselrichter 8 und einen Gleichrichter 9 auf. Der Wechselrichter 8 umfasst dabei mehrere Leistungstransistoren T1, T2, T3, T4, die über eine Steuerungseinheit mit zwei integrierten Schaltkreisen GU1 und GU2 angesteuert werden. Der Gleichrichter 9 ist hier ein Brückengleichrichter und umfasst mehrere Dioden D1, D2, D3, D4. Denkbar ist es aber auch, dass der Gleichrichter abweichend ausgebildet ist und beispielweise ein Wechselgleichrichter oder ein Vollbrückengleichrichter mit Mittelpunktanzapfung ist. Die Transformator-Wicklungen 4a und 4b des Drehtransformators 3 sind hier durch jeweils eine Induktivität Lp und Ls abgebildet. Die Rotorwicklung 7 ist durch einen elektrischen Widerstand Rr und eine Induktivität Lr abgebildet. Zudem ist ein Zwischenkreiskondensator Cin zwischen einem Gleichspannung-Anschluss 11 und dem Wechselrichter 8 geschaltet.
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Die Rotorerregung-Schaltung 2 weist dabei eine feststehende Primärseite 10a und eine rotierende Sekundärseite 10b auf. Der Begriff „feststehend“ bedeutet dabei lediglich, dass die Primärseite 10a mit der Sekundärseite 10b nicht mitrotiert. Auf der Primärseite 10a wird eine Gleichspannung - hier eine Hochvolt-Bordnetz-Spannung - an dem Gleichspannung-Anschluss 11 bereitgestellt und über den primärseitigen Wechselrichter 8 in eine Wechselspannung transformiert. Die primärseitige Wechselspannung in der primärseitigen Transformator-Wicklung 4a induziert eine sekundärseitige Wechselspannung in der sekundärseitigen Transformator-Wicklung 4b. Die sekundärseitige Wechselspannung wird über den Gleichrichter 9 in eine Gleichspannung gewandelt und der Rotor-Wicklung 7 bereitgestellt.
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4 zeigt nun ein Ersatz-Schaltbild der erfindungsgemäßen Rotorerregung-Schaltung 2. Hier ist der Drehtransformator 3 mit den Transformator-Wicklungen 4a und 4b transformiert und durch einen primärseitigen elektrischen Widerstand Rs1, einen sekundärseitigen elektrischen Widerstand Rs2, eine primärseitige Streu-Induktivität Ls1, eine sekundärseitige Streu-Induktivität Ls2 und eine Magnetisierungs-Induktivität Lm abgebildet. Die Rotorwicklung 7 ist weiterhin durch den elektrischen Widerstand Rr und die Induktivität Lr abgebildet. Der Gleichrichter 9 ist durch die einzelnen Dioden mit einer an diesen abfallenden Vorwärtsspannung Vf abgebildet. 4 zeigt dabei nur zwei der vier Dioden des in 3 gezeigten Gleichrichters 9. Die gezeigten Dioden (beispielweise D1 und D2) leiten dabei eine Halbwelle und die nicht gezeigten Dioden (beispielweise D3 und D4) leiten die andere Halbwelle. Da zur Bestimmung der an dem Gleichrichter 9 abfallenden Spannung nur der Spannungsabfall über den zwei leitenden Dioden berücksichtigt werden muss, sind hier entsprechend nur zwei Dioden gezeigt. Die elektrischen Widerstände Rdn,os bilden hier den Wechselrichter 8 ab.
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Basierend auf dem Ersatz-Schaltbild nach 4 kann in einem erfindungsgemäßen Verfahren 13 eine Temperatur an der Rotor-Wicklung 7 indirekt bestimmt werden. Dazu kann primärseitig anliegende Eingangsspannung Vprim der Rotorerregung-Schaltung 2 gemessen werden und aus der Eingangsspannung Vprim eine an der Rotor-Wicklung 7 anliegende Wicklung-Spannung Vload berechnet werden. Dazu können alle zwischen dem Gleichspannung-Anschluss 11 und der Rotor-Wicklung 7 abfallenden Spannungen herausgerechnet werden.
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Basierend auf dem Ersatz-Schaltbild nach
4 kann die Wicklung-Spannung V
load an der Rotor-Wicklung 7 aus der Formel:
berechnet werden. Dabei sind: I
load - Wicklungs-Strom an der Rotor-Wicklung; n
p/n
s - Wicklungszahl der primärseitigen/sekundärseitigen Transformator-Wicklung; I
prim - Eingangsstrom; V
Ls1/V
Ls2 - primärseitige/sekundärseitige Induktivität-Spannung an der primärseitigen/sekundärseitigen Streu-Induktivität Ls1/Ls2 des induktiven Drehtransformators 3. Die Eingangsspannung V
prim wird dabei primärseitig an dem Drehtransformator 3 gemessen und die Parameter R
s1, R
s2, L
s1, L
s2, V
Ls1, V
Ls2. V
f und I
load sind bekannt bzw. werden aus bekannten Parametern ausgerechnet.
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Anschließend können aus der berechneten Wicklung-Spannung Vload und einem bekannten in der Rotor-Wicklung 7 fließenden Wicklung-Strom Iload der aktuelle elektrische Wicklung-Widerstand Rr der Rotor-Wicklung 7 und aus dem berechneten aktuellen Wicklung-Widerstand Rr die Temperatur der Rotor-Wicklung 7 berechnet werden.
