Verfahren zum Betreiben einer fremderregten elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremderregten elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Stand der Technik

Elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren, können zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie im Kraftfahrzeug verwendet werden. Üblicherweise werden dazu Klauenpolgeneratoren verwendet, welche meistens mit elektrischer Erregung ausgestattet sind. Da Klauenpolgeneratoren Drehstrom, meist dreiphasig, erzeugen, ist für die üblichen Kraftfahrzeug- Gleichspannungs-Bordnetze eine Gleichrichtung erforderlich. Dazu können Gleichrichter auf Basis von Halbleiterdioden oder Halbleiterschaltern verwendet werden.

Generatoren können auch zum Starten einer Brennkraftmaschine verwendet werden. Solche Generatoren werden auch als Startergenerator bezeichnet. Üblicherweise wird ein derartiger Startergenerator nur bei sehr kleinen Drehzahlen motorisch betrieben, da das erzeugbare Drehmoment über der Drehzahl schnell abnimmt. Denkbar sind jedoch auch größere elektrische Maschinen, die dann auch in einem Hybrid-Fahrzeug zum Antrieb des Fahrzeugs, zumindest aber zur Unterstützung der Brennkraftmaschine, verwendet werden können.

Für die C02-Bilanz und den Verbrauch eines Fahrzeugs ist die Effizienz der elektrischen Maschine relevant. Diese hängt maßgeblich vom Erregerstrom ab. Der Erregerstrom kann beispielsweise basierend auf einer Vermessung und einem Abspeichern in Lookup-Tabellen gewählt oder analytisch berechnet werden. Eine Möglichkeit zur Optimierung des Drehmoments einer elektrischen Maschine wird beispielsweise in der US 7 723 933 B2 beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben einer fremderregten elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprü- che sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer fremderregten elektrischen Maschine, beispielsweise einer Klauenpolmaschine. Dabei wird ein Erregerstrom im Rahmen einer Regelung eingestellt. Hierzu wird der Erreger- ström erhöht, wenn ein Phasenwinkel einer Spannung größer als ein Phasenwinkel eines Stroms oder als der Phasenwinkel des Stroms versetzt um 180°, jeweils in d-q-Koordinaten, ist, und der Erregerstrom wird verringert, wenn der Phasenwinkel der Spannung kleiner als der Phasenwinkel des Stroms oder als der Phasenwinkel des Stroms versetzt um 180°, jeweils in d-q-Koordinaten, ist. Insbesondere wird dabei eine Differenz zwischen dem Phasenwinkel der Spannung und dem Phasenwinkel des Stroms, die jeweils in d-q-Koordinaten angegeben sind, unter Verwendung des Erregerstroms als Stellgröße auf einen Wert von 0° oder 180° geregelt. Unter Strom und Spannung sind hierbei insbesondere die Beträge von Phasenstrom bzw. Phasenspannung der elektrischen Maschine zu verstehen. Die Regelung kann mit einem Proportional- und/oder einem Integralanteil erfolgen, also beispielsweise im Sinne eines sog. Pl-Reglers. Vorzugsweise wir die Differenz in einem motorischen Betrieb auf 0° und in einem generatorischen Betrieb auf 180° geregelt. Um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen gilt es, eine Kombination aus

Phasenstrom in d-q-Koordinaten und Erregerstrom zu finden, die die Gesamtverluste aus Erregerkreis- und Maschinenverlusten (ohmsche Verluste an den Strängen, Wrbelstromverluste, Eisenverluste) minimiert. Die sog. d-q- Koordinaten, auch als Raumzeigerdarstellung bekannt, können durch sog. Clar- ke- und/oder Park-Transformationen aus den einzelnen Phasen erhalten werden.

Bei kleineren Drehzahlen sind die Verluste im Erregerstrom aufgrund des größe- ren Widerstands dominant. Hier ist es in der Regel nur möglich, den optimalen

Erregerstrom durch Variation messtechnisch zu ermitteln. Insofern ist es zweckmäßig, wenn das vorliegende Verfahren, d.h. die Regelung der erwähnten Differenz bzw. die Erhöhung oder Verringerung des Erregerstroms, dann oder nur dann erfolgt, wenn eine Drehzahl der elektrischen Maschine oberhalb einer vor- gebbaren Drehzahlgrenze liegt, was meist mit einer sog. Spannungsgrenze einhergeht, da dann die elektrische Maschine auch mit sog. Block-Ansteuerung betrieben wird. Dabei werden die Amplituden der Phasenspannungen in aller Regel nicht verändert, sondern sind maximal (also an der Spannungsgrenze). Insofern ist es auch zweckmäßig, im Rahmen des vorliegenden Verfahrens die elektrische Maschine mit Block-Ansteuerung zu betreiben, insbesondere wenn die Drehzahl oberhalb der erwähnten Drehzahlgrenze liegt. Unterhalb dieser Drehzahlgrenze hingegen kann eine übliche PWM-Ansteuerung verwendet werden.

Sobald die Spannungsgrenze erreicht wird (d.h. wenn der Blockbetrieb bzw. die Block-Ansteuerung verwendet wird), liegt der optimale Wirkungsgrad der elektrischen Maschine bei einem Winkel der Differenz des Phasenwinkels der Spannung und des Phasenwinkels des Stroms jeweils in d-q-Koordinaten, für den der Kosinus betragsmäßig eins ergibt, also bei einer Differenz von 0° oder 180°, da dort der Phasenstrom minimal wird.

Ein aktueller Betriebspunkt der elektrischen Maschine im Blockbetrieb liegt in der Regel auf einem sog. Spannungskreis in der Stromorts kurve, wie sie später in Bezug auf die Figuren noch näher erläutert wird, und kann auch nur darauf verschoben werden. Unter Berücksichtigung des sog. Kipp-Punktes bzw. Kipp- Momentes gibt es somit nur einen Schnittpunkt des Spannungskreises mit einer

Linie konstanten Drehmoments. Der Mittelpunkt des Spannungskreises wird durch den Erregerfluss und die d-lnduktivität bestimmt und kann somit durch die Variation des Erregerstroms verschoben werden, da es sich im vorliegenden Fall um eine fremderregte Maschine handelt. Wird der Erregerstrom erhöht, so verschiebt sich der Spannungskreis im d-q- Koordinatensystem nach links. Somit verschiebt sich ebenfalls der Stromzeiger des aktuellen Betriebspunkts. Die Phase des Stroms wird größer und die der Spannung kleiner. Durch eine Variation des Erregerstroms lassen sich die Strom- und Spannungszeiger somit so verschieben, dass die oben genannte Bedingung erreicht und der Wirkungsgrad optimiert wird. Der Erregerstrom dient dabei also als Stellgröße für die Regelung der Differenz. Der Erregerstrom kann jedoch auch selbst - dann im Rahmen einer unterlagerten Regelung - auf den benötig- ten Wert eingeregelt werden. Vorzugsweise wird hierzu ein Initialwert vorgegeben, sodass hier nur noch die Differenz zu diesem Initialwert in diese Regelung einbezogen werden muss.

Im Rahmen des Betriebs der elektrischen Maschine kann vorzugsweise auch die Spannung in d-q-Koordinaten basierend auf einem einzustellenden und/oder einzuregelnden Vorkommutierungswinkel ermittelt werden. Dabei kann dann zweckmäßigerweise auch basierend auf einem von der elektrischen Maschine geforderten Drehmoment und einem zuletzt ermittelten Drehmoment der Vorkommutierungswinkel eingestellt und/oder eingeregelt werden.

Für einen optimalen Betrieb der elektrischen Maschine ist dabei in der Regel erforderlich, dass sich ein minimal möglicher Strom in der elektrischen Maschine einstellt. Hierzu sollten die (innere) Spannung der elektrischen Maschine und der zugehörige Motorgrundwellenstrom in Phase liegen. Hierzu ist in der Regel auf- grund der Induktivität der elektrischen Maschine eine zeitlich vorversetzte An- steuerung der Wcklungsstränge nötig. Diese Korrektur, welche das nacheilende Verhalten des Motorgrundwellenstroms kompensiert, wird durch den sog. Vorkommutierungswinkel beschrieben. Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs oder eine Steuereinheit für eine elektrische Maschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerpro- gramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be- Schreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.

Figur 2 zeigt schematisch eine Möglichkeit zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine.

Figur 3 zeigt schematisch Stromverläufe bei einer elektrischen Maschine.

Figur 4 zeigt schematisch einen aktuellen Betriebspunkt einer elektrischen Maschine in einem d-q-Koordinatensystem.

Figur 5 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.

Figur 6 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Ausführungsform(en) der Erfindung

In Figur 1 ist schematisch und als Schaltbild eine elektrische Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist, dargestellt. Die elektrische Maschine 100 ist hier beispielhaft als eine fremderregte, fünfphasige elektrische Maschine ausgebildet. Es versteht sich, dass auch eine andere Anzahl an Phasen, beispielsweise drei, verwendet werden kann. Die elektrische Maschine 100 kann beispielsweise als Klauenpolmaschine ausgebildet sein.

Die elektrische Maschine 100 weist hier fünf Statorwicklungen 120 und eine Erreger- bzw. Läuferwicklung 110 auf. Über eine als Ansteuereinheit 140 ausgebildete Recheneinheit kann ein Erregerstrom l _ex in der Erregerwicklung 110 eingestellt werden. Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung 130 mit Schaltern 131 , hier beispielhaft MOSFETS, von denen nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist, vorgesehen, mittels welcher eine Spannung U an die Statorwicklungen 120 angelegt oder abgegriffen werden kann, je nachdem ob die elektrische Maschine im motorischen oder generatorischen Betrieb verwendet wird.

Die Schalteranordnung 130 und die Steuereinheit 140 können auch jeweils Teil einer gemeinsamen Steuereinheit oder eines Inverters bzw. Stromrichters für die elektrische Maschine sein.

In Figur 2 ist schematisch eine Möglichkeit zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine, wie sie beispielsweise in Figur 1 gezeigt ist, dargestellt. Im oberen Diagramm ist eine Spannung U über der Zeit t dargestellt, im unteren Diagramm ein Tastgrad T über der Zeit t.

Hierbei handelt es sich um Ansteuermuster nach einem Standardverfahren der sog. Dreieck-Sinus-Modulation. Die gewünschte Sollspannung, nämlich der Sinus-Verlauf im oberen Diagramm, wird hier überlagert von einem Dreiecksignal (auch im oberen Diagramm gezeigt), das eine deutlich höhere Frequenz aufweist als das der elektrischen Grundwelle (in der Regel mehr als 10 kHz). Jeder Schnittpunkt kennzeichnet ein Umschalten des PWM-Signals. Das Ansteuermuster im unteren Diagramm kann nun mit einem PWM- Steuerwerk erzeugt werden. Für eine Klauenpolmaschine wird diese PWM- Ansteuerung in der Regel bis zur erwähnten Spannungsgrenze verwendet. Ab bzw. oberhalb der Spannungsgrenze wird die elektrische Maschine dann mit einem Blockmuster im Blockbetrieb bzw. mit der sog. Block-Ansteuerung angesteuert.

Diese Block-Ansteuerung zeichnet sich dadurch aus, dass die Phasenspannungen die maximal mögliche Amplitude aufweisen und diese Amplitude nicht veränderbar ist (theoretisch ist dies möglich durch Ansteuerung mit Blockbreiten von weniger 180°, dies wird jedoch in aller Regel nicht verwendet).

Als Stellgröße für ein gewünschtes Soll-Drehmoment der elektrischen Maschine dient nun neben dem Erregerstrom die Phasenlage des Spannungsvektors, der sogenannte Vorkommutierungswinkel.

Da sich die Amplitude im Blockbetrieb nicht verändern lässt (oder zumindest nicht verändert wird), wird diese Ansteuerart nur oberhalb der Spannungsgrenze verwendet (d.h. wenn die Polradspannung größer als die anliegende Zwischen- kreisspannung ist), im vorliegenden Fall typischerweise bei Drehzahlen größer als 3.000/min.

In Figur 3 sind Stromverläufe, hier die Phasenströme, gezeigt, die bei drehender elektrischer Maschine und sinusförmiger Phasenspannungsvorgabe erzeugt werden. Hierzu ist ein Strom I über der Zeit t aufgetragen.

Bei symmetrischer Verteilung können die einzelnen Phasenströme , IB, IC, ID und IE ZU einem Raumzeiger zusammengefasst werden. Hierzu werden die bekannten Clark- und Park-Transformationen verwendet. Zunächst ergeben sich die Ströme l„ und l _ß mit der Clarke-Transformation gemäß den Formeln:

I,a + I _E cos und

) I ß ^~ + I _r sin + / _n sin + I _E sin

Daraus ergeben sich die Ströme ld und l _q mit der Park-Transformation dann gemäß den Formeln:

I _d = I _a cosö + /p sin ö und / = -I _a ύη θ + Ι _β cosö , wobei mit Θ hier der Winkel des Läufers bzw. Rotors der elektrischen Maschine bezeichnet ist. Auf die gleiche Weise kann auch die Spannung in d-q- Koordination transformiert werden.

Um den optimalen Wrkungsgrad der elektrischen Maschine zu erreichen, gilt es nun, eine Kombination aus dem Betrag des Phasenstroms ld _q in d-q-Koordination und dem Erregerstrom l _ex zu finden, die die Gesamtverluste aus Erregerkreis- und Maschinenverlusten (ohmsche Verluste an den Strängen, Wirbelstromverluste, Eisenverluste) minimiert. Bei kleineren Drehzahlen sind die Verluste im Erregerstrom aufgrund des größeren Wderstands dominant. Hier kann der optimale Erregerstrom durch Variation messtechnisch ermittelt werden. Insofern ist das vorliegende Verfahren vorzugsweise nur für den Betrieb an der Spannungsgrenze anzuwenden. Sobald die Spannungsgrenze erreicht wird (d.h. wenn der Blockbetrieb verwendet wird), liegt der optimale Wrkungsgrad bei cos(cp)=1 , da dort der Phasenstrom minimal wird. Der Winkel φ gibt dabei die Winkeldifferenz zwischen Strom- und Spannungszeiger an, wie sie nachfolgend noch näher erläutert werden.

In Figur 4 ist schematisch ein aktueller Betriebspunkt einer elektrischen Maschine in einem d-q-Koordinatensystem dargestellt, und zwar mittels der sog. Stromortskurve. Hierzu sind die Ströme Id und l _q aufgetragen. Anhand dieser Stromortskurve lässt sich die Strategie zum Regeln dieser Winkeldifferenz gemäß vorliegendem Verfahren erläutern.

In der Stromortskurve ist der aktuelle Betriebspunkt B der elektrischen Maschine dargestellt. Dieser Betriebspunkt ergibt sich durch den Stromzeiger bzw. den Strom Idq und den Spannungszeiger, der die Spannung Udq und den verketteten Fluss dq anzeigt. Der Betriebspunkt ist das gemeinsame Ende der Zeiger für den Strom Idq und den verketteten Fluss d _q . Im Blockbetrieb kann der Betriebspunkt B nur auf dem sog. Spannungskreis, hier mit 410 bezeichnet, verschoben werden. Der Spannungskreis 410 stellt dabei eine maximal mögliche Spannung (bzw. nach Umrechnung den maximal möglichen verketteten Fluss), die im Blockbetrieb dauerhaft verwendet wird, dar. Für ein gefordertes bzw. gewünschtes Drehmoment ergibt sich jenseits des sog. Kipp-Punktes bzw. Kipp-Momentes somit nur ein Schnittpunkt des Spannungskreises 410 mit der Linie konstanten Drehmoments, hier mit 421 bezeichnet. Mit 420 ist zudem ein maximal bzw. minimal mögliches Drehmoment bezeichnet.

Das Kipp-Moment stellt dabei ein solches Drehmoment dar, bei dessen Über- schreiten bei Entlanglaufen der Spannungskurve durch den Stromzeiger Idq trotz

Stromerhöhung wieder ein kleineres Drehmoment resultieren würde, was der Effizienz abträglich wäre.

Mit 400 ist zudem ein Kreis maximalen Stroms, also für eine Maximalwert des Stroms Idq gezeigt, wie er sich daraus ergibt, dass die in der elektrischen Maschine bzw. einem verwendeten Inverter verwendeten Leitungen nicht unendlich hohen Strom führen können. Damit ergibt sich als überhaupt möglicher Bereich für den Betriebspunkt B der schraffiert gezeigte Bereich. Aufgrund des Bockbetriebs wird dieser Bereich zudem auf die Grenzlinie dieses schraffierten Bereichs, so- weit sie auf dem Spannungskreis 410 liegt, eingeschränkt.

Der Mittelpunkt 41 1 des Spannungskreises 410 (oder der Spannungsellipse) wird durch den Erregerfluss in der Erregerwicklung und die d-lnduktivität bestimmt und kann somit durch die Variation des Erregerstroms verschoben werden, da es sich im vorliegenden Fall um eine fremderregte Maschine handelt. Wird der Erregerstrom erhöht, so verschiebt sich der Spannungskreis 410 nach links. Somit verschiebt sich ebenfalls der Stromzeiger Idq des aktuellen Betriebspunkts B. Die Phase bzw. der Phasenwinkel φι des Stroms wird größer und die Phase bzw. der Phasenwinkel cpu der Spannung kleiner. Durch eine Variation des Erregerstroms, lassen sich die Strom und Spannungszeiger somit so verschieben, dass cos(cp) =1 im motorischen und cos(cp) =-1 im generatorischen Betrieb erreicht werden kann.

Aus diesem Zusammenhang lässt sich die Änderung des Erregerstroms in Abhängigkeit von der Phasenlage, d.h. dem Phasenwinkel, von Strom und Spannung herleiten: Ist der Phasenwinkel cpu der Spannung größer als der Phasenwinkel φι des Stroms, so wird der Erregerstrom erhöht, ist er kleiner, so wird der Erregerstrom verringert. Nach diesem Zusammenhang lässt sich ein Regler entwickeln der online den Erregerstrom optimiert.

In Figur 5 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Aus der Differenz Δφ zwischen dem Phasenwinkel cpu der Spannung und dem Phasenwinkel φι des Stroms wird die Regelabweichung bestimmt und mittels Proportionalanteil 501 und Integralanteil 502 (mit Integrator 503) in einen Sollwert für den Erregerstrom l _ex gewandelt.

Um die Dynamik der Regelung zu erhöhen, kann bevorzugt zusätzlich ein Erregerstrominitialwert lexjnit am Reglerausgang addiert werden. Dadurch muss der Regler beispielsweise nur eine Abweichung die aus Temperatur-, Maschinen- streuungs- und/oder Alterungseffekten resultiert, ausregeln. Der Initialwert kann beispielsweise ausgemessen werden. Für den generatorischen Betrieb muss die Regelabweichung entsprechend um den 180° angepasst werden bzw. es muss auf 180° statt 0° geregelt werden.

In Figur 6 ist schematisch ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Basierend auf einem geforderten Drehmoment M _SO II und dem zuletzt ermitteltem Moment Mist wird der Vorkommutierungswinkel α geregelt.

Zusammen mit der aktuellen Spannungslage UL kann mit dem Vorkommutierungswinkel α die Spannung Udq ausgerechnet werden. Diese wird in einem separaten Block in das erforderliche Blockpulsmuster umgewandelt und die zu- gehhörigen Signale für die elektrische Maschine werden generiert, hier mit UA...E angedeutet, um die elektrische Maschine 100 zu betreiben.

Die Phasenströme ...E der elektrischen Maschine 100 werden gemessen und in Idq-Werte umgewandelt, und zwar mittels Clarke- und Park-Transformation. Diese

Idq-Werte werden zum einen dazu verwendet, um das aktuelle Drehmoment auszurechnen und zum anderen, um zusammen mit den Spannungswerten Udq für die Ermittlung der Regelabweichung bzw. der Differenz Δφ genutzt. Der Erregerstrominitialwert lexjnit kann aus einer Lookup-Tabelle in Abhängigkeit von der Spannung U , des geforderten Drehmoments M _so n und der Rotordrehzahl n ausgelesen werden. Aus diesen Werten wird dann nach dem zuvor erläuterten Ablauf der finale Erregerstrom l _ex ermittelt. Anschließend kann der Erregerstrom beispielsweise mittels PWM-Verfahren unter Verwendung einer entsprechenden Erregerspannung U _e x eingeregelt werden.