Verfahren und System zur Steuerung einer dynamoelektrischen Maschine

Die Erfindung betri f ft ein Verfahren und ein System zur Steuerung einer dynamoelektrischen Maschine .

Elektrische Antriebe , zumeist aufweisend einen Umrichter und eine dynamoelektrische Maschine , sind überwiegend für maximale Aufstellungshöhen von 2000 m MSL konzipiert . I st eine Aufstellung des Antriebs in größeren Höhen geplant , erfolgt oft ein Derating einer Leistung des Antriebs . Jedoch muss hierbei während einer Proj ektierung die Aufstellungshöhe bekannt sein .

Es besteht j edoch die Gefahr, dass die Aufstellungshöhe nicht korrekt angegeben wird oder nachträglich verändert wird .

Dies kann sich j edoch nachteilig auf eine Kühlung des Antriebs , insbesondere der Maschine , auswirken und so zu einem Aus fall führen .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , dies zu verbessern .

Die Lösung der Aufgabe gelingt durch Anspruch 1 , d . h . ein Verfahren zur Steuerung einer dynamoelektrischen Maschine , insbesondere dynamoelektrischen rotatorischen Maschine , mit folgenden Schritten :

- Ermitteln eines Umgebungsluftdrucks der dynamoelektrischen Maschine mittels einer Vorrichtung zur Luftdruckbestimmung,

- Anpassen einer Leistung der dynamoelektrischen Maschine in Abhängigkeit des Umgebungsluftdrucks .

Das Anpassen der Leistung gelingt vorteilhaft mittels einer Belastungskurve und/oder mittels einer Kennlinie und/oder mittels einer Tabelle . Auch andere Formen, die die Leistung mit dem Umgebungsluftdruck in Relation setzen, sind möglich . Die Erfindung eignet sich besonders gut für dynamoelektrische Maschinen . Jedoch kann die Erfindung auch bei Trans formatoren angewendet werden .

Besonders gut geeignet ist die Erfindung für dynamoelektrische rotatorische Maschinen, j edoch ist auch ein Einsatz bei Linearantrieben denkbar .

Vorzugsweise wird hierbei ein aktueller Umgebungsluftruck ermittelt .

Vorzugsweise werden ein Drehmoment und/oder eine Drehzahl der Maschine angepasst .

Vorteilhaft ist eine Aus führungs form, wonach der Umgebungsluftdruck durch Ermittlung einer Höhenlage bestimmt wird .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach die Höhenlage mittels eines Höhenmessers oder durch ein globales Navigationssatellitensystem bestimmt wird .

Der Höhenmesser ist hierbei bevorzugt ein barometrischer Höhenmesser . Ferner kann die Höhenlage auch anders bestimmt werden .

Globale Navigationssatellitensysteme sind z . B . NAVSTAR GPS der Vereinigten Staaten von Amerika, GLONASS der Russischen Föderation, Galileo der Europäischen Union und Beidou der Volksrepublik China . Auch andere sind denkbar .

Das globale Navigationssatellitensystem stellt hierbei vorteilhaft zur Bestimmung der Höhenlage eine Information bezüglich einer Position auf der Erdkugel und/oder eine Information bezüglich einer Höhe über dem Meeresspiegel bereit .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach der Umgebungsluftdruck gemessen wird, insbesondere mittels eines Barometers . Ein Barometer ist ein Messgerät zur Bestimmung eines statischen Absolut-Luf tdrucks .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach eine Umgebungsluftströmung ermittelt wird .

Dies gelingt beispielsweise mittels eines Strömungssensors . Dieser kann einen Luftstrom, insbesondere in Kanälen und an schwer zugänglichen Positionen, messen . Es können wechselnde Strömungsrichtungen oder gerichtete Strömungen erfasst werden .

Es eignet sich mitunter ein Thermoanemometersensor . Auch andere sind denkbar .

Die Umgebungsluftströmung kann ferner auch mit einem Flügelrad-Sensor gemessen werden . Flügelrad-Sensoren können die Luftströmung messen, insbesondere an Auslässen oder auch in Kanälen .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach eine Umgebungsluftfeuchtigkeit ermittelt wird .

Dies gelingt vorteilhaft mittels eines Feuchtigkeitsmessers . Dieser ist vorteilhaft geeignet , einen Feuchtegehalt in der Luft oder Feststof fen zu messen .

Die Umgebungsluftfeuchtigkeit wird vorzugsweise mit einem Hygrometer ermittelt .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach eine Umgebungstemperatur ermittelt wird . Hierfür eignet sich z . B . ein Temperatursensor .

Für den Betrieb der Maschine ist von Vorteil , die genauen Umgebungsbedingungen zu kennen . Hierzu zählen die genannten Umgebungsbedingungen wie Umgebungsluftdruck, Umgebungsluftfeuchtigkeit und Umgebungsluftströmung . Ferner ist auch eine Kenntnis über ein Vorhandensein von bestimmten Gasen, insbesondere Schadgasen .

Ein - im Vergleich zu Standardbedingungen - niedrigerer Umgebungsluftdruck reduziert die Kühlung der Maschine , was zu einer Überhitzung führen kann . Auch die Umgebungsluftströmung kann Einfluss auf die Kühlung haben .

Eine hohe Umgebungsluftfeuchtigkeit , auch mit der Gefahr einer Betauung, kann die Funktion eines , z . B . optischen, Gebers beeinträchtigen . Dies kann dazu führen, dass eine Bereitstellung einer Drehzahl- , Kommutierungs- und/oder Lageinformation nicht zuverlässig erfolgt .

Ferner können Schadgase eine Lebensdauer von I solierstof fen oder Permanentmagneten begrenzen .

In der Maschine , insbesondere in einer Wicklung der Maschine , kann ferner ein weiterer Temperatursensor angeordnet sein .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach die Leistung der dynamoelektrischen Maschine abhängig vom Umgebungsluftdruck und/oder von der Umgebungsluftströmung und/oder von der Umgebungsluftfeuchtigkeit und/oder von der Umgebungstemperatur angepasst wird .

Dies gelingt vorteilhaft dadurch, dass durch die Belastungskurve bzw . Kennlinie bzw . Tabelle die Leistung der dynamoelektrischen Maschine mit dem Umgebungsluftdruck und/oder mit der Umgebungsluftströmung und/oder mit der Umgebungsluftfeuchtigkeit und/oder mit der Umgebungstemperatur in Beziehung gesetzt wird .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach eine Leistung der dynamoelektrischen Maschine in Abhängigkeit des Umgebungsluftdrucks und/oder der Umgebungsluftströmung und/oder der Umgebungsluftfeuchtigkeit und/oder der Umgebungstemperatur reduziert wird . Die Erfindung bietet den Vorteil , dass Kenntnis über die Aufstellungshöhe erlangt wird . Da mit zunehmender Höhe der Luftdruck sowie die Luftdichte sinken, ist mit einer Verschlechterung von Kühleigenschaften und somit einer Überhitzung der Maschine zu rechnen . Darauf kann durch die Erfindung reagiert werden, wodurch ein Schaden der Maschine und/oder ein Aus fall der Maschine vermieden werden kann .

Die Erfindung bietet zudem den Vorteil , dass wetterbedingte Druckschwankungen berücksichtigt werden können .

Ferner nimmt mit zunehmender Höhe eine kosmische Höhenstrahlung zu, was insbesondere für den Betrieb von Leistungshalbleitern wichtig ist . Die Höhenstrahlung hängt dabei neben der Höhe über dem Meeresspiegel auch von einer geografischen Breite ab . Zusätzlich erhöht sich in größerer Höhe die Gefahr für Teilentladungen .

Diese Ef fekte können durch die Erfindung berücksichtigt werden, da die Leistung der Maschine bedarfsgerecht angepasst werden kann .

Die Lösung der oben gestellten Aufgabe gelingt ferner durch Anspruch 10 , d . h . ein System zur Steuerung einer dynamoelektrischen Maschine , insbesondere dynamoelektrischen rotatorischen Maschine , insbesondere zur Durchführung eines derartigen Verfahrens , aufweisend :

- eine dynamoelektrische Maschine , insbesondere dynamoelektrische rotatorische Maschine ,

- eine Vorrichtung zur Luftdruckbestimmung,

- eine Funktion zur Anpassung einer Leistung der dynamoelektrischen Maschine .

Vorteilhaft ist eine Aus führungs form, wonach das System einen Höhenmesser aufweist .

Vorzugsweise wird die Höhe barometrisch, mittels Schall , Laser und/oder Mikrowelle gemessen . Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach das System einen Empfänger zum Empfang einer Information von einem globalen Navigationssatellitensystem aufweist .

Auf diese Weise kann zuverlässig eine Information bezüglich einer Position auf der Erdkugel und/oder bezüglich einer Höhe über dem Meeresspiegel bezogen werden . Auch andere sind denkbar .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach das System eine Messvorrichtung zur Messung des Umgebungsluftdrucks aufweist .

Hierzu eignet sich besonders gut ein Barometer .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach das System eine Messvorrichtung zur Messung einer Umgebungsluftströmung aufweist .

Vorteilhafte Messvorrichtungen sind bereits weiter oben beschrieben .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach das System eine Messvorrichtung zur Messung einer Umgebungsluftfeuchtigkeit aufweist .

Dies ist beispielsweise ein Hygrometer .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach das System eine Messvorrichtung zur Messung einer Umgebungstemperatur aufweist .

Vorteilhaft ist zudem eine Aus führungs form, wonach die Messvorrichtung zur Messung eines Umgebungsluftdrucks und/oder die Messvorrichtung zur Messung einer Umgebungsluftströmung und/oder die Messvorrichtung zur Messung einer Umgebungsluftfeuchtigkeit und/oder die Messvorrichtung zur Messung einer Umgebungstemperatur wenigstens einen MEMS-Baustein aufweist . MEMS (Microelektromechanisches System) sind kleine Bauelemente oder Bausteine , die Logikelemente und mikromechanische Strukturen in einem Chip, insbesondre Halbleiterchip, vereinen . Sie können mechanische und/oder elektrische Informationen verarbeiten . MEMS weisen vorteilhaft Silicium auf . Jedoch sind auch andere in der Halbleitertechnik übliche Materialien denkbar .

Strukturen der MEMS können kleiner als ein Mikrometer sein . Dank der Miniaturisierung lassen sie sich wie Halbleiter billig und in Massen fertigen .

MEMS sind zudem robust und zuverlässig . Zudem sind eine geringe Baugröße , ein geringer Preis und ein niedriger Energiebedarf vorteilhaft .

Es ist zudem denkbar, dass anstelle von MEMS oder zusätzlich NEMS (Nanoelektromechanisches System) eingesetzt werden .

Für die oben angeführten Umgebungsbedingungen sind in den Proj ektierungsvorschri ften des Motors Anweisungen enthalten . So gibt es zum Beispiel Angaben für ein Leistungs-Derating in Abhängigkeit der Aufstellhöhe des Motors .

Die Erfindung ist von Vorteil , da ein mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel ein Atmosphärendruck nach der barometrischen Höhenformel abnimmt . Es muss nicht überwacht werden, ob die bei einer Pro ektierung angegeben Aufstellhöhe tatsächlich eingehalten wird .

Zudem können auch wetterbedingte Druckschwankungen berücksichtigt werden .

Die Maschine kann so besser ausgenutzt werden .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert . Es zeigen : FIG 1 einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer dynamoelektrischen Maschine , insbesondere dynamoelektrischen rotatorischen Maschine ,

FIG 2 eine mögliche Aus führung des erfindungsgemäßen Systems ,

FIG 3 eine weitere mögliche Aus führung des erfindungsgemäßen Systems ,

FIG 4 eine beispielhafte Belastungskurve .

FIG 1 zeigt einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer dynamoelektrischen Maschine , insbesondere dynamoelektrischen rotatorischen Maschine .

Die dynamoelektrische Maschine 3 ist vorteilhaft ein Motor oder ein Generator .

In einem Verfahrensschritt S 1 erfolgt eine Ermittlung eines Umgebungsluftdrucks der dynamoelektrischen Maschine mittels einer Vorrichtung zur Luftdruckbestimmung . Vorteilhaft wird der aktuelle , an einem Aufstellort der dynamoelektrischen Maschine vorliegende Umgebungsluftdruck ermittelt .

In einem Verfahrensschritt S2 wird eine Leistung der dynamoelektrischen Maschine , z . B . anhand einer Belastungskurve ( siehe FIG 4 ) , insbesondere an vorliegende Umgebungsbedingungen, angepasst .

Anstelle der Belastungskurve kann auch eine Kennlinie , Tabelle , etc . angewendet werden .

Die Umgebungsbedingungen sind neben dem bereits erläuterten Umgebungsluftdruck vorteilhaft eine Umgebungsluftströmung und/oder eine Umgebungsluftfeuchtigkeit und/oder eine Umgebungstemperatur . Ferner können auch Gase , insbesondere Schadgase , detektiert werden .

Die Ermittlung des Umgebungsluftdrucks gelingt z . B . durch die Verfahrensschritte S i l und S 12 , wonach in Verfahrensschritt S i l eine Höhenlage der dynamoelektrischen Maschine mittels eines Höhenmessers oder durch ein globales Navigationssatellitensystem bestimmt wird . In Verfahrensschritt S 12 erfolgt eine Bestimmung des Umgebungsluftdrucks auf Basis der Höhenlage .

Ein Luftdruck in einer Höhe ist im Wesentlichen konstant über die Erdkugel . Bei der Ermittlung der Höhenlage durch ein globalen Navigationssatellitensystem wird vorteilhaft ein Standort ermittelt und daraus auf den Aufstellort und die Höhenlage geschlossen .

Die Ermittlung des Umgebungsluftdrucks gelingt z . B . auch durch einen Verfahrensschritt S 100 , wonach der Umgebungsluftdruck gemessen wird, insbesondere mittels eines Barometers .

In einem Verfahrensschritt S3 wird eine Umgebungsluftströmung ermittelt .

In einem Verfahrensschritt S4 wird eine Umgebungsluftfeuchtigkeit ermittelt .

In einem Verfahrensschritt S5 wird eine Umgebungstemperatur ermittelt .

In einem Verfahrensschritt S 6 wird die Leistung der dynamoelektrischen Maschine anhand der Belastungskurve reduziert .

Durch die beispielhafte Belastungskurve oder andere Formen wird die Leistung der dynamoelektrischen Maschine mit dem Umgebungsluftdruck und/oder mit der Umgebungsluftströmung und/oder mit der Umgebungsluftfeuchtigkeit und/oder mit der Umgebungstemperatur in Beziehung gesetzt . Ferner ist eine Detektion von Gasen möglich . Dies sind vorzugsweise alkalische Gase und/oder saure Gase , wie beispielsweise Ammoniak, Säurenebel und Schwefelsäure .

Auch saurer Regen kann detektiert werden .

Denkbar ist hierbei eine Ausgabe einer Warnung .

Die Bestimmung der genannten Größen ist von Vorteil , da diese zu einer Beschädigung des Systems führen können .

FIG 2 zeigt eine mögliche Aus führung des erfindungsgemäßen Systems 1 .

Die Figur zeigt einen Umrichter 2 sowie eine dynamoelektrische rotatorische Maschine 3 . Diese Aus führung ist bevorzugt , j edoch eignet sich die Erfindung auch für Linearantriebe oder Trans formatoren .

Der Umrichter 2 weist vorteilhaft eine Steuereinheit auf oder ist mit einer Steuereinheit verbunden .

Eine Funktion zur Anpassung der Leistung der dynamoelektrischen Maschine 3 , z . B . anhand der Belastungskurve , ist vorteilhaft im Umrichter 2 bzw . der Steuereinheit vorhanden .

In der Funktion sind vorteilhaft Steuerungs- und/oder Regelungsalgorithmen umfasst , die eine Anpassung, insbesondere ein Derating, ermöglichen .

Die abgebildete Maschine 3 weist einen Rotor 4 und einen Stator 5 auf . Der Stator weist ein Wicklungssystem 6 auf .

Das System 1 weist einen Positionssensor 7 auf , welcher an einer Welle 8 angeordnet ist . Der Positionssensor 7 ist z . B . ein Geber oder in einem Geber integriert . Der Geber ist vorteilhaft ein Drehgeber oder Winkelgeber . Der Positionssensor weist vorteilhaft einen MEMS-Baustein 12 auf .

Die Figur zeigt , dass die Maschine 3 , insbesondere das Wicklungssystem 6 , vom Umrichter 2 mit elektrischer Energie gespeist wird ( dargestellt durch Pfeil 9 ) .

Die Figur zeigt einen Höhenmesser 100 .

Am Stator 5 ist ein Temperatursensor 10 angeordnet . Dieser ist vorteilhaft zur Erfassung einer Temperatur des Wicklungssystems 6 ausgebildet .

Die Figur zeigt eine Messvorrichtung zur Messung des Umgebungsluftdrucks 11 . Die Messvorrichtung 11 weist vorteilhaft einen MEMS-Baustein auf .

Die Figur zeigt eine Messvorrichtung zur Messung der Umgebungsluftfeuchtigkeit 13 . Die Messvorrichtung 13 weist vorteilhaft einen MEMS-Baustein auf .

Die Figur zeigt eine Messvorrichtung zur Messung des Umgebungsluftströmung 22 . Die Messvorrichtung 22 weist vorteilhaft einen MEMS-Baustein auf .

Die Figur zeigt eine Messvorrichtung zur Messung der Umgebungstemperatur 23 . Die Messvorrichtung 23 weist vorteilhaft einen MEMS-Baustein auf .

Die Figur zeigt eine Messvorrichtung zur Messung von Gasen 24 . Die Messvorrichtung 24 weist vorteilhaft einen MEMS- Baustein auf .

Die beschriebenen Messvorrichtungen sind beispielsweise als Sensoren ausgebildet . Sie können auf einer Leiterplatte 18 , insbesondere als Printed Circuit Board ( kurz : PCB ) ausgebildet , angeordnet sein . Ferner können sie auch zur Leiterplatte 18 beabstandet angeordnet sein . Vorteilhaft sind sie j edoch zur Übermittlung von Informationen an die Leiterplatte 18 ausgebildet .

Die Leiterplatte 18 dient als Schnittstelle und ist vorteilhaft zur Weitergabe von Informationen an den Umrichter 2 bzw . die Steuereinheit ausgebildet .

Es ist zudem möglich, die beschriebenen Messvorrichtungen bzw . Sensoren in einem Kombinationssensor zu vereinen .

Die Figur zeigt beispielhaft eine Mehrzahl an Sensoren und Messvorrichtungen . Es werden zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht alle genannten Sensoren und Messvorrichtungen benötigt .

FIG 3 zeigt eine weitere mögliche Aus führung des erfindungsgemäßen Systems 1 .

Die Figur zeigt im Wesentlichen das in FIG 2 beschriebene System 1 .

Das System 1 ist zum Datenaustausch (mit Pfeil 25 dargestellt ) mit einer externen Recheneinheit 14 ausgebildet . Die Recheneinheit kann auch im Umrichter 2 integriert sein .

Die Recheneinheit weist einen Empfänger 26 zum Empfang (mit Pfeil 19 dargestellt ) einer Information von einem globalen Navigationssatellitensystem 16 auf . Auf diese Weise kann zuverlässig eine Information bezüglich einer Position auf der Erdkugel und/oder bezüglich einer Höhe über dem Meeresspiegel bezogen werden .

Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Smartphone 15 die Information bezüglich der Position auf der Erdkugel und/oder bezüglich der Höhe über dem Meeresspiegel beziehen (mit Pfeil 17 dargestellt ) .

Dies gelingt vorteilhaft mittels einer App . Das Smartphone 15 muss hierbei nicht dauerhaft in der Nähe des Systems 1 ver- bleiben . Ein Bezug der Information bezüglich der Position auf der Erdkugel und/oder bezüglich der Höhe über dem Meeresspiegel ist vorteilhaft bei einer Inbetriebnahme des Systems 1 erforderlich .

Diese Information kann anschließend an die Recheneinheit 14 übermittelt werden . Dies gelingt beispielsweise mittels einer drahtlosen bzw . kabellosen Verbindung 20 .

Die in FIG 2 beschriebenen Sensoren und Messvorrichtungen können auch im in FIG 3 dargestellten System 1 vorhanden sein .

Die Vorrichtung zur Luftdruckbestimmung kann somit einerseits eine Messvorrichtung sein, die den Umgebungsluftdruck direkt bestimmt , z . B . ein Barometer . Die Vorrichtung zur Luftdruckbestimmung kann j edoch auch ein Gerät sein, welches die Höhenlage bestimmt , insbesondere mittels Satelliteninformationen, und daraus - sozusagen indirekt - den Umgebungsluftdruck bestimmt .

FIG 4 zeigt eine beispielhafte Belastungskurve .

Die x-Achse zeigt eine Aufstellhöhe h in Metern m der dynamoelektrischen Maschine über dem Meeresspiegel .

Auf der y-Achse ist ein zulässiger Dauerstrom in % des Nennstroms dargestellt sowie ein Derating-Faktor k _T , welcher Aufschluss über eine Reduzierung der Leistung der dynamoelektrischen Maschine gibt .

Die Belastungskurve zeigt , dass ab einer Aufstellhöhe von 2000 m MSL eine Reduktion des zulässigen Dauerstroms erfolgt , insbesondere um eine ausreichende Kühlung der Maschine zu gewährleisten und so einen Schaden an der Maschine zu vermeiden .

Die Erfindung ist z . B . von Vorteil für Li fte und andere Beförderungsvorrichtungen, Pumpen, insbesondere Pumpen im Ge- birge , Züge und andere Elektrofahrzeuge , die in großen Höhen unterwegs sind . Die Erfindung ist auch von Vorteil für Bergbau- und Industriemotoren . Auch andere Anwendungsgebiete sind denkbar .