Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall sowie ein Compu- terprogrammprodukt, welches einen Programmcode aufweist, der dazu ausgebildet ist, auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät, die Durchführung eines solchen Verfahrens zu veranlassen.

Elektrische Maschinen, wie beispielsweise permanent erregte Synchronmaschinen, können in vielen technischen Bereichen eingesetzt werden. Beispielsweise werden solche permanent erregten Synchronmaschinen, die üblicherweise drei-phasige Drehstrommotoren sind, in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Werden mehr als drei Pha- sen benötigt, beispielsweise um eine bessere Leistungsaufteilung auf mehrere Lei- tungen zu ermöglichen, können beispielsweise dreiphasige Maschinen zusammen- geschaltet werden. Für die Bereitstellung von sechs Phasen können hierzu zwei drei-phasige Maschinen zusammengeschaltet werden, wobei die Phasen jeweils versetzt zueinander sind. Alternativ kann direkt eine sechs-phasige Maschine be- reitgestellt werden, bei der die sechs Phasen versetzt zueinander sind.

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 geeigne- ter Schaltelemente die Anschlüsse der elektrischen Maschine kurzgeschlossen. Auf diese Weise können Schäden beim Auftreten von zu hohen elektrischen Spannun- gen, wie sie in einem Fehlerfall auftreten, vermieden werden. Bei einem aktiven Kurzschluss können jedoch transiente Kurzschlussströme ent stehen, die ziemlich groß sein können und ebenfalls zu Schäden des Antriebs füh ren können. Um solche Schäden zu vermeiden, kann eine überschlägige Dimensi- onierung der Antriebskomponenten erfolgen, die jedoch sehr aufwendig ist.

Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, auf einfache Weise eine elektrische Maschine mit sechs Phasenanschlüssen und ihre Ansteuerschaltung vor Schäden durch transiente Ströme zu schützen.

Demgemäß wird eine Vorrichtung zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall vorgeschlagen. Die elektrische Maschine weist dabei sechs Pha- senanschlüsse 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 elektri- schen Maschine einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt oder wenn ein Pha- sen - bzw. Wicklungskurzschluss oder weitere Fehlerfälle detektiert wird.

Für einen solchen Fall ist eine Umschalteinheit zum Umschalten der elektrischen Maschine von einem normalen Betriebszustand in einen Kurzschluss-Betriebszu- stand vorgesehen. Die Umschalteinheit ist dabei dazu eingerichtet, die sechs Pha- senanschlüsse der elektrischen Maschine nach einem vordefinierten Muster asyn- chron kurzzuschließen. Das bedeutet, dass die einzelnen Phasenanschlüsse ver- setzt zueinander kurzgeschlossen werden, also mit einer Verzögerung eines Pha- senanschlusses. Hierbei können zwei, drei oder vier Phasenanschlüsse mit oder ohne Verzögerung gleichzeitig kurzgeschlossen sein.

Durch das asynchrone Kurzschließen der sechs Phasenanschlüsse gemäß einem vordefinierten Muster können die transienten (Phasen-)Ströme, die bei dem akti ven Kurzschluss auftreten können, reduziert werden. Diese Reduzierung der Pha- senströme wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Bauteile in der Ansteuer- schaltung 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.

Die jeweilige Einheit, zum Beispiel Umschalteinheit, kann hardwaretechnisch und/o- der auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Im- plementierung kann die jeweilige Einheit als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrich- tung, zum Beispiel als logische Schaltung, ausgebildet sein. Bei einer softwaretech- nischen 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.

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. Basie- rend auf aktuellen Parametern der elektrischen Maschine kann auf einfache Weise ein passendes gespeichertes Muster ausgewählt werden. Das Muster definiert da- bei das Phasenschaltmuster, d.h. in welcher Reihenfolge und mit welchem Ver- satz die verschiedenen Phasen kurzgeschlossen werden.

Beispielsweise kann die Umschalteinheit dazu eingerichtet sein, eines der Mehr- zahl 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 basie- rend auf einem vordefinierten Winkeltoleranzbereich auswählen.

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.

Zum Ablauf eines gesteuerten aktiven Kurzschlusses können verschiedene Vari- anten gespeichert sein. Hierbei kann entweder eine unverzügliche Aktivierung des Kurzschluss-Betriebszustands oder eine verzögerte Aktivierung des Kurzschluss- Betriebszustands erfolgen.

Bei der Unterdrückung von transienten Strömen kann in zeitlich unkritischen Feh- lerfällen abgewartet werden, bis der Rotor in eine von den optimalen Positionen (elektrischer Winkel) kommt, danach kann der gesteuerte aktive Kurzschluss ent- sprechend einem gespeicherten Muster ausgeführt werden. In diesem Fall kann die effizienteste Unterdrückung von transienten Strömen erzielt werden.

Wenn der aktive Kurzschluss unverzüglich ausgeführt werden muss, kann abhän- gig von der Rotorposition ein optimalstes Schaltmuster ausgewählt werden, wel- ches immer noch eine bedeutende Unterdrückung von transienten Strömen er- möglicht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform definiert das vordefinierte Muster eine Verzögerung zwischen einem Kurzschließen des ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Phasenanschlusses.

Wie sich in Experimenten herausgestellt hat, können die transienten Ströme bei einem positiven und einem negativen elektromagnetischen Moment optimal unter- d rückt werden, wenn die folgenden Gleichungen erfüllt werden:

U _di = U _{q i} = U _min ; bei U _ql > 0 (T _e > 0)

Bei diesen Gleichungen wird ein rotierendes dq-System verwendet, wobei die An- steuerung der elektrischen Maschine mittels einer Raumzeigerdarstellung in die- sem System erfolgt. Da sechs Phasen angesteuert werden müssen, werden in dem dq-System zwei Unterräume verwendet, d.h. d1 , q1 und d2, q2. Bei der An- steuerung der elektrischen Maschine entstehen dabei pro Unterraum eine Quer- phasenspannung Uqi , Uq2 und eine Längsphasenspannung Ucn , Ud2. Udi stellt da- bei die Längsphasenspannung und Uqi die Querphasenspannung im ersten Unter- raum dar. Der zweite Unterraum spielt für die Bestimmung der Kurzschlüsse der Phasen keine Rolle.

Basierend auf diesen Gleichungen können verschiedene Schaltmuster ermittelt und dann gespeichert werden, die diese Bedingungen erfüllen. Ein sechsphasiger Wechselrichter mit 12 Schaltelementen kann insgesamt 64 Schaltzustände haben. Die Schaltmuster definieren dabei Schaltzustände, in denen die Spannungen Udi und U _qi ihren minimalen bzw. maximalen Wert erreichen. Die Phasenspannungen können bei den verschiedenen Schaltzuständen und bei einer Änderung des elektrischen Rotorwinkels von 0 bis 2p in das oben genannte d1/qi/d2/q2 - Koor- dinatensystem transformiert werden.

In den Tabellen 1 und 2 sind beispielhafte optimale Schaltmuster und die entspre- chenden optimalen Rotorpositionen (elektrischer Rotorwinkel Oei) dargestellt. Ta- belle 1 zeigt beispielhafte optimale Schaltmuster für ein positives Moment der elektrischen Maschine und Tabelle 2 zeigt beispielhafte optimale Schaltmuster für ein negatives Moment der elektrischen Maschine. Es sind hier 12 optimale Kombi- nationen gezeigt, wobei sich der Rotorwinkel von 0 bis 2p jeweils um 30° ändert.

Tabelle 1 : optimale Winkel für ein positives Moment bei der Bedingung:

Udi=U _qi =min

Tabelle 2: optimale Winkel für ein negatives Moment bei der Bedingung:

|Udi|=Uqi=max

Die Erfüllung der Bedingungen kann dadurch erzielt werden, dass die entspre- chenden Phasen mit einem Zeitversatz kurzgeschlossen werden, damit die not- wendigen Spannungen kurzzeitig aufgebaut werden können. So werden beispiels- weise beim Schaltmuster ui = 1 , vi = 1 , wi = 0, U2 = 1 , V2 = 1 , W2 = 0 (wobei ui, vi, wi, U2, V2, W2 jeweils eine Phase darstellen) nach dem Auftreten eines Fehlerfalls die Kurzschlüsse der Phasen ui, vi, U2, V2 im Vergleich zu den Phasen wi, W2 um eine definierbare Zeit At verzögert.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Absichern einer elektri- schen Maschine in einem Fehlerfall vorgeschlagen, wobei die elektrische Ma- schine sechs Phasenanschlüsse aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Detektieren eines Fehlerfalls der elektrischen Maschine und Um- schalten der elektrischen Maschine von einem normalen Betriebszustand in einen Kurzschluss-Betriebszustand, wenn ein Fehlerfall der elektrischen Maschine de- tektiert wird, wobei die sechs Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine nach einem vordefinierten Muster asynchron kurzgeschlossen werden.

Die für die vorgeschlagene Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.

Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches einen Pro- grammcode aufweist, der dazu ausgebildet ist, auf einem Computer, insbesondere einem Steuergerät, die Durchführung des wie oben erläuterten Verfahrens zu ver- anlassen.

Ein Com puterprogramm produkt, wie z.B. ein Computerprogramm-Mittel, kann bei spielsweise 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 er- folgen.

Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungs- beispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fach- mann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen. 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 Ausfüh- rungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Absichern ei- ner elektrischen Maschine in einem Fehlerfall;

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Vorrichtung von Fig. 1 im Ge- samtumfeld der elektrischen Maschine;

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Prinzips der Vorrichtung von Fig. 1 ;

Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Quer- und Längsphasenspannungen der elektrischen Maschine; und

Fig. 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Absichern einer elektrischen Maschine in einem Fehlerfall.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugs- zeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Absichern einer elektrischen Maschine 20 in einem Fehlerfall. Die elektrische Maschine 20 weist sechs Phasenanschlüsse u-i, vi , wi, U2, V2, W2 auf, wie es in Zusammenhang mit Figuren 2 und 3 näher be- schrieben ist.

Eine Überwachungseinheit 11 der Vorrichtung 10 überwacht die elektrische Ma- schine 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 er reichen, werden die sechs Phasenanschlüsse ui, vi, wi, U2, V2, W2 der elektrischen Maschine 20 nach einem vordefinierten Muster asynchron kurzgeschlossen.

Das Prinzip dieses Umschaltens wird nun in Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 näher erläutert.

Die Überwachungseinheit 11 sendet ein Notlaufsignal an die Umschalteinheit 12.

Nach dem Eingang des Notlauf-Signals wird die Generierung von Wechselrichter- Steuerimpulsen vom PWM-Nennbetriebs-Modul 22 auf eine Notlauf-Logik umge- schaltet, die durch die Vorrichtung 10 von Fig. 1 bereitgestellt wird.

Die Vorrichtung 10 führt dabei eine optimale Abschaltstrategie über den Wechsel- richter 21 im Sinne der Unterdrückung von transienten Kurzschlussströmen durch. Das optimale Abschaltmuster wird basierend auf einem aktuellen elektrischen Ro- torwinkel, 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, wobei das Abschalt- muster ist für die Unterdrückung von transienten Ku rzsch I u ssström en optimiert ist.

2. Ausführung des aktiven Kurzschlusses in einer von mehreren optimalen Rotorpositionen, wobei das Abschaltmuster ist für die Unterdrückung von transien- ten Kurzschlussströmen optimiert ist.

Das generierte oder ausgewählte optimale Abschaltmuster für die Phase ui{0, 1 }, vi{0, 1}, wi{0, 1}, U2{0, 1}, V2{0, 1}, W2{0, 1} wird mit den benötigten Abschaltzeit- versätzen 24 multipliziert. Diese Versätze oder Delays werden in Block 23 von Fig. 3 erzeugt. In den erzeugten Wechselrichter-Steuerimpulsen wird der Zeitpunkt des Kurz- schlusses für zwei, drei oder vier Phasen um den Abschaltzeitversatz verzögert, um während des Schaltens des aktiven Kurzschlusses die transienten Ströme op- timal zu unterdrücken.

Ein Beispiel für den Verlauf der Quer- und Längsphasenspannungen Ucn (1 ) und U _qi (2) ist in Fig. 4, oben, gezeigt. In diesem Fall wird das Schaltmuster 1 , 1 , 0, 1 ,

1 , 0 verwendet. Um eine optimale Unterdrückung der transienten Kurzschluss- ströme zu gewährleisten, wurden beim optimalen Rotorwinkel 4 (Ucn =Uqi =min) zu- nächst die Phasen wi, W2 kurzgeschlossen und anschließend die Phasen ui, vi,

U2, V2. Das untere Diagramm von Fig. 4 zeigt den Rotorwinkel 3. Wie gesehen werden kann, gibt es pro Periode 0 - 2 p einen optimalen Rotorwinkel 4.

Fig. 5 zeigt ein Verfahren zum Absichern einer elektrischen Maschine 20 in einem Fehlerfall. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf.

In einem ersten Schritt 301 wird ein Fehlerfall der elektrischen Maschine 20 detek- tiert.

Anschließend wird in einem zweiten Schritt 302 die elektrische Maschine 20 von einem normalen Betriebszustand in einen Kurzschluss-Betriebszustand umge- schaltet, wobei die sechs Phasenanschlüsse u i , vi, wi, U2, V2, W2 der elektrischen Maschine 20 nach einem vordefinierten Muster asynchron kurzgeschlossen wer- den.

Durch die vorgeschlagene Vorrichtung ist es möglich, die transienten Kurzschluss- ströme 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. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar.

Bezuqszeichen

1 Ud

2 Uq

3 Rotorwinkel

4 optimaler Rotorwinkel 10 Vorrichtung

1 1 Überwachungseinheit 12 Umschalteinheit 20 elektrische Maschine 21 Wechselrichter

22 PWM-Nennbetrieb

23 Verzögerungserzeugung

24 Verzögerung

301 -302 Verfahrensschritte