AT514250B1 - Elektrische Antriebs- und/oder Belastungsmaschine - Google Patents

Abstract

Zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen zwischen den Wicklungen (U, V, W) einer elektrischen Antriebs- und oder Belastungsmaschine und den Thermosensoren (100, 200, 300) zur thermischen Überwachung derselben ist die Auswerteelektronik (1, 1‘, 1‘‘) der Thermosensoren (100, 200, 300) potentialfrei aufgebaut und der Referenzpunkt (4) von Thermosensoren (100, 200, 300) und Auswerteelektronik (1, 1‘, 1‘‘) floatend mit dem Potential der Wicklungen (U, V, W) elektrisch leitend verbunden.

Description

Beschreibung

ELEKTRISCHE ANTRIEBS- UND/ODER BELASTUNGSMASCHINE

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebs- und/oder Belastungsmaschine, mitelektrischen Wicklungen in Rotor und/oder Stator, welche zumindest zu einem Teil Thermos-ensoren aufweisen, die an eine Auswerteelektronik zur thermischen Überwachung der Maschi¬ne angeschlossen sind.

[0002] Elektrische Maschinen der genannten Art werden in vielfältigsten Zusammenhängen fürverschiedenste Aufgaben eingesetzt - speziell zumeist dann, wenn sie zumindest vorüberge¬hend auch an ihren Leistungsgrenzen betrieben werden und zwar sowohl was die Maschinen¬leistung selbst als auch was die oft sehr hohen transienten Spannungsänderungen im hochdy¬namischen Betrieb derartiger Maschinen betrifft. Durch die Anordnung von Thermosensoren imthermischen Nahbereich der Wicklungen sowie die Überwachung der dort auftretenden Tempe¬raturen können dann bedarfsweise die überwachten Maschinen abgeschaltet oder in ihrerLeistung gedrosselt werden, was eine dauerhafte Beschädigung beispielsweise der Isolationder Wicklungen bzw. der gesamten Maschine verhindert.

[0003] Bekannt sind Anordnungen der genannten Art beispielsweise aus DE 33 13 418 A,EP 2 184830 A1 oder DE 1174 426 A zur Temperaturüberwachung des Rotors einer elektri¬schen Maschine - davon abgesehen können aber natürlich auch die Statorwicklungen bei¬spielsweise von permanentmagneterregten Elektromaschinen auf diese Weise überwacht wer¬den. Auch ist es belanglos, ob die Elektromaschine nur als Antriebsmaschine einsetzbar istoder auch im generatorischen Bremsbetrieb wie beispielsweise als Antriebs- oder Belastungs¬maschine in Prüfständen für Brennkraftmaschinen, Getriebe, Antriebsstränge und ähnlichem.Die DE 1513079, SU 1120439 A und JP H01164225 zeigen Schutzschaltungen gegen zu hoheTemperaturen.

[0004] Speziell bei der Verwendung im hochdynamischen Betrieb, wie beispielsweise bei derSimulation der Kompressions- und Verbrennungsvorgänge in einer Brennkraftmaschine aufeinem Prüfstand, können Probleme mit den naturgemäß möglichst nahe zu den zu überwa¬chenden Wicklungen anzuordnenden Thermosensoren auftreten, da diese normalerweise aneine Auswerteelektronik angeschlossen sind, welche niederohmig an Erdpotential liegt. DiePhasenanschlüsse der elektrischen Maschine sind aber bedingt durch den Umrichter nicht mitErde verbunden, also gegenüber Erdpotential floatend. Auch wenn die Phasenspannungen derMaschinenwicklungen zueinander (Phase zu Phase) beispielsweise nur Werte unter 1000Vhaben können, kann die Klemmenspannung der Maschine gegenüber Erdpotential aufgrund derfloatenden Konstruktion des Umrichters doppelt so hohe Werte erreichen.

[0005] Aufgrund der damit hohen Spannungsdifferenz zwischen den Maschinenwicklungen undden über die Auswerteelektronik auf Erdpotential liegenden Thermosensoren kommt es aufGrund des geringeren Isolationsabstandes und der damit bedingten lokalen Feldstärkenerhö¬hung insbesondere bei sehr hohen transienten Spannungsänderungen, die bei den genanntenAnwendungen zur hochdynamischen Simulation von Brennkraftmaschinen mehrere kV/psbetragen können, immer wieder zu Isolationsschäden an den Maschinenwicklungen und/oderan den Thermosensoren, welche sich als Spannungsdurchschläge auswirken. Diese Schädenkönnen in weiterer Folge zur Zerstörung der Auswerteelektronik bzw. der Temperaturüberwa¬chungseinrichtung und damit dann auch zu enormen Folgeschäden an der elektrischen Ma¬schine insgesamt führen.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei Anordnungen der eingangs genanntenArt auf einfache Weise das Auftreten der beschriebenen Schäden zu verhindern.

[0007] Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, dass die Aus¬werteelektronik der Thermosensoren potentialfrei aufgebaut und der Referenzpunkt von Ther¬mosensoren und Auswerteelektronik floatend an das Potential der Wicklungen gekoppelt ist.Die grundsätzliche Idee dahinter ist es, die schwer zu isolierenden Thermosensoren mittels einer Potentialangleichung vor dem Überschlag von hohen Spannungen von den Maschinen¬wicklungen zu schützen. Die Thermosensoren und die dazugehörige Auswerteelektronik wer¬den auf zumindest annähernd gleiches Potential gelegt wie die jeweils dazugehörige Maschi¬nenwicklung, d.h. das Potential der Thermosensoren wird mit dem Potential der Maschinen¬wicklungen mitgeführt. Die Spannungsdifferenz zwischen den Maschinenwicklungen und denThermosensoren kann dabei mit einfachen konstruktiven Mitteln und geringem Mehraufwandauf Werte von beispielsweise unter 500 V verringert werden, womit das Risiko eines Durch¬schlages deutlich herabgesetzt bzw. beseitigt ist. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass hierzu keinEingriff in die Wicklungen oder in die Thermosensoren gemacht werden muss und die Verkabe¬lung des elektrischen Antriebs selbst nicht geändert werden muss.

[0008] In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Stern¬schaltung der Wicklungen deren Sternpunkt mit dem Referenzpunkt der Thermosensoren undder Auswerteelektronik verbunden ist. Diese besonders einfache Ausführung setzt eine Stern¬schaltung der Wicklungen voraus.

[0009] Um auch ohne einen vorhandenen Sternpunkt einer Sternschaltung der Wicklungen dieerfindungsgemäßen Vorteile erzielen zu können ist in einer anderen Ausgestaltung vorgesehen,dass mit zusätzlichen externen Widerständen ein künstlicher Sternpunkt der Wicklungen gebil¬det wird, der dann zumindest annährend die halbe Zwischenkreisspannung des Umrichters derWicklungen abbildet, und mit dem Referenzpunkt der Thermosensoren und der Auswerteelekt¬ronik verbunden ist.

[0010] Die erforderliche Potentialtrennung zwischen der damit hohen floatenden Spannung derAuswerteelektronik und dem Erdpotential kann damit auf vorteilhafte Weise auf das Netzteil zurStromversorgung verschoben werden. In diesem Zusammenhang ist nach einer weiters bevor¬zugten Ausbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Auswerteelektronik ein Netzteil aufweist,das spannungs- und impulsfest ausgeführt ist. Die Festigkeit des Netzteils ist hinsichtlich derauftretenden Maximalwerte von Spannung und Impuls zu dimensionieren. Maximalwerte derSpannung können beispielsweise die gegenüber Erdpotential floatende Spannungsdifferenz derWicklungen annehmen, welche im Bereich von mehreren kV sein können.

[0011] Dieses Netzteil ist auf der Netzeingangsseite geerdet - die Ausgangsseite ist mit derAuswerteelektronik der Thermosensoren verbunden und darf daher nicht geerdet sein. Einallfälliger Übertemperatur-Alarmausgang bzw. sonstiger Signalausgang der Auswerteelektronikfür Steuerungs- und/oder Begrenzungseinheiten der Elektromaschine, muss dabei ebenfallspotentialfrei ausgekoppelt werden. Dies kann beispielsweise über ein Relais oder eine Span¬nungs- und dU/dt-feste Trennstrecke, z.B. optisch oder induktiv realisiert werden.

[0012] Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn die Auswerteelektronik und/oder das spannungs-und impulsfeste Netzteil räumlich getrennt von den Thermosensoren, vorzugsweise außerhalbder elektrischen Antriebs- und/oder Belastungsmaschine, angeordnet sind. Unter „räumlichgetrennt" wird hier außerhalb der Maschine verstanden, wobei die Maschine selbst durch einGehäuse begrenzt ist und außerhalb der Maschine beispielsweise in einem am Maschinenäu¬ßeren oder in einem davon abgesetzt angeordneten Schaltschank ist. Sowohl die Auswer¬teelektronik als auch die Thermosensoren selbst müssen dabei weder der Art noch der Anord¬nung nach geändert werden, was auch die Nachrüstung bestehender elektrischer Maschinenkostengünstig ermöglicht.

[0013] Die Erfindung wird im Folgenden noch anhand der schematischen Zeichnungen nähererläutert. Fig. 1 zeigt dabei die Spannungsverhältnisse (Spannung in Volt (V) über der Zeit )zwischen den Maschinenwicklungen und den zugehörigen Thermosensoren im dynamischenBetrieb einer elektrischen Maschine, Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer entspre¬chenden Maschine nach dem bisherigen Stand der Technik und die Fig. 3 und 4 zeigen ent¬sprechende Schaltbilder von beispielhaften elektrischen Maschinen nach der vorliegendenErfindung.

[0014] Bei allen in den Fig. 2 bis 4 nur mit ihren schematischen Schaltbildern dargestellten elektrischen Antriebs- und/oder Belastungsmaschinen weisen die elektrischen Wicklungen U, V,W (welche in Rotor und/oder Stator angeordnet sein können) Thermosensoren 100, 200, 300auf, die jeweils an eine Auswerteelektronik 1, 1', 1" zur thermischen Überwachung der Maschi¬ne angeschlossen sind. Während die Auswerteelektronik 1 bei der Anordnung nach dem Standder Technik gemäß Fig. 2 über ihr Netzteil 2 geerdet ist, womit auch die Thermosensoren 100,200, 300 auf Erdpotential liegen, ist die Auswerteelektronik 1', 1" bei den Anordnungen nachder vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 3 und 4 potentialfrei aufgebaut, vorzugsweise galva¬nisch getrennt und nicht mit Erdpotential verbunden. Auch die Thermosensoren 100, 200, 300sind damit bei den Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4 gegenüber Erdpotential floatend.

[0015] Bei der Anordnung nach Fig. 2 (Stand der Technik) ergibt sich damit beispielsweise diein Fig. 1 mit a bezeichnete hohe Spannungsdifferenz zwischen jeweils zwei Wicklungen (U-V,V-W,W-U,) von unter 1000V. Die mit b bezeichnete, gegenüber Erdpotential floatende Span¬nungsdifferenz der Wicklungen kann dabei aber mehr als doppelt so hohe Werte annehmen.Die maximale Spannungsdifferenz der Thermosensoren gegenüber Erdpotenzial (Band c) liegtaufgrund der Anbindung der Auswertelektronik an den jeweils nachfolgenden Stufen typischer¬weise auf Kleinspannungsniveau.

[0016] Zur Folge der Schaltungssituation in Fig. 2 ergibt sich damit eine mögliche maximaleSpannungsdifferenz zwischen den Wicklungen U, V, W und den Thermosensoren 100, 200,300 von d (also von b plus der halben Schwankungsbreite von Band c) was mehr als die dop¬pelte Phasenspannung ausmachen kann. Bei derartigen Spannungsdifferenzen kann es spezi¬ell bei extrem schnellen Spannungsänderungen bereits zu Spannungsüberschlägen zwischenden Wicklungen und den Thermosensoren kommen, die in weiterer Folge zu einer Beschädi¬gung oder Zerstörung der Thermosensoren und/oder Wicklungen und damit der gesamtenMaschine führen können.

[0017] Demgegenüber liegt bei den erfindungsgemäßen Ausführungen nach Fig. 3 und 4 dieAuswerteelektronik T, 1" nicht auf Erdpotential, sondern auf einem den Wicklungen U, V, Wnachgeführten Potential. Gemäß Fig. 3 wird dazu beispielsweise über externe Widerstände 3ein künstlicher Sternpunkt der Wicklungen U, V, W gebildet, der zumindest annährend die halbeZwischenkreisspannung des hier nicht dargestellten Umrichters der Wicklungen abbildet undmit dem Referenzpunkt 4 der Thermosensoren 100, 200, 300 und der Auswerteelektronik Tverbunden ist (Fig. 3). Dazu wird beispielsweise vor jeder Wicklung U, V, W beispielsweise jeein Widerstand ausgeführt und so miteinander verschaltet, dass ein künstlicher Sternpunktgebildet wird.

[0018] In einer Variante gemäß Fig. 4 ist in der auf eine Sternschaltung der Wicklungen U, V, Wbegrenzten vereinfachten Ausführung der Sternpunkt der Wicklungen unmittelbar mit demReferenzpunkt 4 der Thermosensoren 100, 200, 300 und der Auswerteelektronik 1" verbunden.In beiden Fällen kann damit ein spannungs- und impulsfestes Netzteil 2', 2" der Auswerteelekt¬ronik 1', 1" der Thermosensoren 100, 200, 300 räumlich getrennt in beispielsweise einem hiernicht weiter dargestellten Schaltschrank der Maschine angeordnet sein, welches auf der Netz¬eingangsseite normal geerdet ist, aber auf der Ausgangsseite nicht geerdet werden darf. DieseAusführungsbeispiele sind natürlich nicht einschränkend zu sehen - grundsätzlich sind Netzteil2‘, 2“ und/oder Auswerteelektronik T, 1“ räumlich getrennt von den Thermosensoren, bei¬spielsweise außerhalb der elektrischen Antriebs- und/oder Belastungsmaschine, anzuordnen.Der in Fig. 3 und 4 dargestellte Übertemperatur- Alarmausgang 5 der Auswerteelektronik T, 1"muss ebenfalls potentialfrei beispielsweise über ein Relais 6 ausgekoppelt werden.

[0019] Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass damit bei den erfindungsgemäßen Anordnungen nach Fig.3 und Fig. 4 das Potential der Thermosensoren 100, 200, 300 in einer Bandbreite e schwan¬kend mit dem Potential der Wicklungen gekoppelt ist. Vorzugsweise sind die Thermosensorenüber die Auswertelektronik wie dargestellt elektrisch leitend mit den Wicklungen verbunden. Diemaximale Potentialdifferenz ist mit f bezeichnet und ersichtlich auf eine Größe beschränkt, beider Spannungsdurchschläge vermieden bzw. üblicherweise ausgeschlossen sind.

Claims (5)

1. Patentansprüche 1. Elektrische Antriebs- und/oder Belastungsmaschine, mit elektrischen Wicklungen (U, V, W)im Rotor und/oder Stator, welche zumindest zu einem Teil Thermosensoren (100, 200,300) aufweisen, die an eine Auswerteelektronik (1, T, 1“) zur thermischen Überwachungder Maschine angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik(1, T, 1“) der Thermosensoren (100, 200, 300) potentialfrei aufgebaut und der Referenz¬punkt (4) von Thermosensoren (100, 200, 300) und Auswerteelektronik (1, T, 1“) floatendmit dem Potential der Wicklungen (U, V, W) gekoppelt ist.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Sternschaltung der Wick¬lungen (U, V, W) deren Sternpunkt mit dem Referenzpunkt (4) der Thermosensoren (100,200, 300) und der Auswerteelektronik (1,1 ‘, 1 “) verbunden ist.
3. 3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit zusätzlichen externenWiderständen (3) ein künstlicher Sternpunkt der Wicklungen (U, V, W) gebildet wird, derzumindest annährend die halbe Zwischenkreisspannung eines Umrichters der Wicklungen(U, V, W) abbildet und mit dem Referenzpunkt (4) der Thermosensoren (100, 200, 300)und der Auswerteelektronik (1,1 ‘, 1 “) verbunden ist.
4. 4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektro¬nik (1, T, 1 “) ein Netzteil (2‘, 2“) aufweist, das spannungs- und impulsfest ausgeführt ist.
5. 5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (1, T,1 “) und/oder das spannungs- und impulsfeste Netzteil (2‘, 2“) räumlich getrennt von denThermosensoren (100, 200, 300), vorzugsweise außerhalb der Maschine angeordnet sind. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen