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Dokumentenidentifikation DE112005003051T5 25.10.2007
Titel Überlastschutzsystem für eine elektrische Vorrichtung
Anmelder Caterpillar Inc., Peoria, Ill., US
Erfinder Sychra, Robert R., Washington, Ill., US;
Stanek, Daniel F., Chillicothe, Ill., US;
Tate, William J., Dunlap, Ill., US
Vertreter WAGNER & GEYER Partnerschaft Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 112005003051
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 18.10.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/037328
WO-Veröffentlichungsnummer 2006065337
WO-Veröffentlichungsdatum 22.06.2006
Date of publication of WO application in German translation 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse H02H 7/085(2006.01)A, F, I, 20051018, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02H 6/00(2006.01)A, L, I, 20051018, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System zum Schutz gegen einen Überhitzungszustand in einer elektrischen Vorrichtung und insbesondere auf ein System zur Vorhersage der Temperatur von Wicklungen in einem Elektromotor, der mit einer Arbeitsmaschine assoziiert ist, und auf die Steuerung des Betriebs des Elektromotors basierend auf der vorhergesagten Temperatur.

Hintergrund

Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Radlader, Raupentraktoren und andere Arten von Maschinen, werden für eine Vielzahl von Aufgaben verwendet. Diese Arbeitsmaschinen können eine Leistungsquelle aufweisen, wie beispielsweise einen Dieselmotor, einen Benzinmotor, einen Erdgasmotor oder irgendeine andere Art einer Leistungsquelle, die die erforderliche Leistung zur Vollendung dieser Aufgaben liefert. Bei gewissen Antriebssystemen kann die Antriebs- bzw. Leistungsquelle mit einem Generator gekoppelt sein, um eine elektrische Leistungsausgabe zu erzeugen, die zu einem oder mehreren Elektromotoren geliefert wird. Die Motoren können mit mit dem Boden in Eingriff stehenden Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen verbunden sein, um die Arbeitsmaschine voranzutreiben.

Die Elektromotoren, die mit den Traktions- bzw. Antriebsvorrichtungen gekoppelt sind, können beispielsweise Wechselstrominduktionsmotoren aufweisen. Während diese Arten von Motoren für kurze Perioden auf Spitzendrehmomentniveaus arbeiten können, die größer als ihre kontinuierliche Nennleistung sind, können die hohen Ströme, die mit diesen Spitzendrehmomentniveaus assoziiert sind, zu einer Beschädigung von verschiedenen Elektromotorkomponenten führen. Beispielsweise kann ein anhaltender Zustand mit hohem Strom (d.h. ein Überlastungszustand) erhöhte Temperaturen in den leitenden Wicklungen des Motorstators zur Folge haben. Diese erhöhten Temperaturen können die Isolation der Wicklungen beschädigen, was zu einem letztendlichen oder sofortigen Versagen zwischen den Leitern führen kann.

Die Elektromotoren können vor einem potentiellen Schaden dadurch geschützt werden, dass sie sicherstellen, dass die Temperatur der leitenden Wicklungen des Stators nicht ein erwünschtes Niveau überschreitet. Die Überwachung dieser Temperatur kann jedoch eine Herausforderung sein. Insbesondere können Temperaturabfühlvorrichtungen, auch wenn sie direkt benachbart zu den Wicklungen angeordnet sind, ungenaue Messungen der Wicklungstemperatur liefern. Aufgrund der großen Masse an Metall, die verwendet werden kann, um den Motorstator zu bilden, insbesondere bei Schwerlastmotoren für Antriebsanwendungen mit hoher Leistung, können die Motoren große thermische Zeitkonstanten haben. Ansprechend auf hohe Ströme in den Statorleitungen, kann somit die Temperatur der Leiter beträchtlich eine festgelegte Nenngröße überschreiten, bevor die umgebenden Bereiche, einschließlich der Temperatursensoren, sogar nur eine moderate Temperaturveränderung zeigen. Um einen Elektromotor vor einem Schaden zu schützen, der von Überlastzuständen verursacht wurde, kann somit ein System zur genauen Temperatur der Statorwicklungen eines Elektromotors erforderlich sein.

Mindestens ein System ist zum Schutz gegen eine Überlastung in einem Elektromotor entwickelt worden. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 5,510,687 („das '687-Patent"), welches an Unsworth u.a. am 23. April 1996 ausgegeben wurde, ein System zum Detektieren eines Überlastungszustandes in einem Elektromotor durch Abschätzen der Temperatur des Motors. Insbesondere leitet das System des '687-Patentes eine Gleichstromspannungskomponente in eine Statorwicklung des Elektromotors ein. Das System weist eine Schaltung auf, um den Gleichstromspannungsabfall an der Wicklung zu bestimmen. Das System weist auch eine Hall-Effekt-Vorrichtung auf, um den Strom in der Wicklung abzufühlen, der der Gleichstromspannung zuzuordnen ist. Basierend auf den abgefühlten Spannungs- und Stromwerten kann der Widerstand der Wicklung unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes berechnet werden. Die Temperatur der Wicklung kann durch Vergleich des berechneten Widerstandswertes mit einem kalibrierten Widerstandswert vorhergesagt werden, der für eine bekannte Temperatur bestimmt wurde. Wenn die vorhergesagte Temperatur einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird der Elektromotor ausgeschaltet.

Während das System des '687-Patentes effektiv sein kann, um Überlastbedingungen in gewissen Situationen zu vermeiden, weist das System des '687-Patentes verschiedene Nachteile auf. Beispielsweise weist das System eine komplexe Schaltung auf, um die Gleichstromspannung und die Stromsignale in der Motorwicklung zu messen. Diese Schaltung kann zusätzliche Kosten für den Motor bringen und kann nachteilig seine Zuverlässigkeit beeinflussen. Weiterhin muss das System aktiv die Effekte auf den Motorbetrieb kompensieren, die durch die eingeleitete Gleichstromspannungskomponente verursacht werden. Weil jeder Motor einzigartige Widerstandscharakteristiken zeigen kann, kann jeder Motor eine Kalibrierung vor dem Betrieb erfordern, um einen grundlegenden Widerstandswert bei einer bekannten Temperatur zu bestimmen. Dies kann zusätzliche Kosten bei der Herstellung zur Folge haben. Auf die Detektion eines Überlastungszustandes hin schaltet das System des '687-Patentes auch vollständig den Motor ab, anstatt zu gestatten, dass der Motor weiter mit einem verringerten Ausgabeniveau arbeitet.

Die vorliegende Offenbarung stellte eine Verbesserung gegenüber den Systemen des Standes der Technik für einen Schutz gegen einen Überlastungszustand in einem Elektromotor dar.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein offenbartes Ausführungsbeispiel weist ein Schutzsystem für eine elektrische Vorrichtung auf. Das System kann mindestens ein temperaturempfindliches Element aufweisen, welches in einer Region benachbart zu einer Komponente der elektrischen Vorrichtung gelegen ist und konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu liefern, die mit einer tatsächlichen Temperatur in der Region in Beziehung steht. Das System kann auch eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um die tatsächliche Temperatur in der Region basierend auf der Ausgangsgröße des mindestens einen temperaturempfindlichen Elementes zu bestimmen, um eine vorhergesagte Temperatur der Komponente basierend auf der tatsächlichen Temperatur in der Region und auf einer vorherbestimmten Wärmeableitungscharakteristik der elektrischen Vorrichtung zu bestimmen.

Ein weiteres offenbartes Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Schutz gegenüber einem Überlastungszustand eines Elektromotors auf. Das Verfahren kann aufweisen, eine tatsächliche Temperatur einer Region benachbart zu einer Komponente des Elektromotors zu bestimmen und eine vorhergesagte Temperatur der Komponente basierend auf der tatsächlichen Temperatur und mindestens einer Wärmeableitungscharakteristik des Elektromotors zu berechnen. Das Verfahren kann auch aufweisen, mindestens einen Betriebsparameter des Elektromotors einzustellen, wenn die vorhergesagte Temperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Ein weiteres offenbartes Ausführungsbeispiel weist eine Arbeitsmaschine auf, die eine Leistungsquelle aufweisen kann, die konfiguriert ist, um eine Leistungsausgabe zu liefern, und einen Generator, der betriebsmäßig mit der Leistungsquelle gekoppelt ist, um zumindest einen Teil der Leistungsausgabe in elektrische Energie umzuwandeln. Die Maschine kann mindestens einen Elektromotor aufweisen, der betriebsmäßig mit dem Generator gekoppelt ist und konfiguriert ist, um zumindest einen Teil der elektrischen Energie aufzunehmen, mindestens eine Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung, die betriebsmäßig mit dem mindestens einen Motor gekoppelt ist, und ein Schutzsystem für den mindestens einen Elektromotor. Das Schutzsystem kann mindestens ein temperaturempfindliches Element aufweisen, welches in einer Region benachbart zu einer Komponente des Elektromotors gelegen ist und konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu liefern, die mit einer tatsächlichen Temperatur in der Region in Beziehung steht. Eine Steuervorrichtung kann konfiguriert sein, um die tatsächliche Temperatur in der Region basierend auf der Ausgangsgröße des mindestens einen temperaturempfindlichen Elementes zu bestimmen und eine vorhergesagte Temperatur der Komponente basierend auf der Temperatur in der Region und auf einer vorbestimmten Wärmeableitungscharakteristik des Elektromotors zu bestimmen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 sieht eine schematische Perspektivansicht einer Arbeitsmaschine gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel vor.

2 sieht eine schematische Blockdiagrammdarstellung von Komponenten einer Arbeitsmaschine 10 gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel vor.

3 sieht eine diagrammartige Veranschaulichung eines Elektromotorschutzsystems gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel vor.

4 sieht ein Informationsflussdiagramm für ein Elektromotorschutzsystem gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel vor.

Detaillierte Beschreibung

1 sieht eine diagrammartige Perspektivansicht einer Arbeitsmaschine 10 gemäß einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel vor. Während die Arbeitsmaschine 10 als ein Raupentraktor veranschaulicht ist, kann die Arbeitsmaschine 10 irgendeine Art einer Arbeitsmaschine aufweisen, die einen oder mehrere Elektromotoren aufweist. Beispielsweise kann die Arbeitsmaschine 10 Straßenfahrzeuge, Geländefahrzeuge, Radlader, Bagger, differentiell gelenkte Maschinen und andere Arten von Maschinen aufweisen.

Die Arbeitsmaschine 10 kann eine Leistungsquelle 12 aufweisen, die konfiguriert ist, um eine Leistungsausgabe zum Antrieb von verschiedenen Betriebsvorgängen der Arbeitsmaschine 10 vorzusehen. Die Leistungsquelle 12 kann einen Verbrennungsmotor aufweisen, der unter Verwendung von Dieselbrennstoff, Benzin, Erdgas oder anderen Arten von Brennstoffen arbeitet.

Die Leistungsquelle 12 kann betriebsmäßig mit einem Generator 14 gekoppelt sein, wie in 2 gezeigt. Der Generator 14 kann irgendeine Art einer Vorrichtung aufweisen, die konfiguriert sein kann, um zumindest einen Teil der Leistungsausgabe, die von der Leistungsquelle 12 geliefert wird, in elektrische Energie umzuwandeln. Ansprechend auf die mechanische Leistungsausgabe aus der Leistungsquelle 12 kann beispielsweise der Generator 14 elektrische Energie erzeugen, die gespeichert werden kann oder verwendet werden kann, um eine oder mehrere elektrisch angetriebene Komponenten zu betreiben.

In einem Ausführungsbeispiel kann der Generator 14 betriebsmäßig mit einem Elektromotor 16 gekoppelt sein, und elektrische Energie, die vom Generator 14 erzeugt wird, kann verwendet werden, um den Elektromotor 16 anzutreiben. Der Generator 14 kann beispielsweise konfiguriert sein, um eine dreiphasige Ausgabe mit einem erwünschten Spannungspegel zu liefern (beispielsweise mit 480V oder irgendeinem anderen geeigneten Pegel), und um diese Ausgangsgröße an einen Generatorleistungswandler 17 zu liefern. Der Generatorleistungswandler 17 kann die dreiphasige Spannung in eine Gleichstromspannung mit einem anderen erwünschten Pegel umwandeln (beispielsweise auf 615V oder irgendeinen anderen geeigneten Pegel). Ein Motorleistungswandler 18 kann konfiguriert sein, um die Spannung aufzunehmen, die vom Generatorleistungswandler 17 geliefert wird und den Elektromotor 16 mit einer variablen dreiphasigen Wechselstromspannung zu beliefern, die verwendet werden kann, um den Elektromotor 16 anzutreiben.

Während nur ein Elektromotor 16 in 2 veranschaulicht ist, kann die Arbeitsmaschine 10 eine Vielzahl von Elektromotoren aufweisen, die von dem Generator 14 mit Leistung versorgt werden. Weiterhin kann der Elektromotor 16 ein Wechselstrominduktionsmotor sein, der für Antriebsanwendungen konfiguriert ist. Der Elektromotor 16 kann jedoch als ein Elektromotor von irgendeiner Bauart und Größe/Kapazität konfiguriert sein, um die Anforderungen einer speziellen Anwendung zu erfüllen.

Die Arbeitsmaschine 10 kann auch eine Traktionsvorrichtung 20 aufweisen, die betriebsmäßig mit dem Elektromotor 16 gekoppelt ist. Die Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung 20 kann eine Raupenvorrichtung sein, wie in den 1 und 2 veranschaulicht. Alternativ kann die Traktionsvorrichtung 20 Räder oder irgendeine andere Art von mit dem Boden in Eingriff stehenden Vorrichtungen aufweisen.

Die Traktionsvorrichtung 20 kann betriebsmäßig mit dem Elektromotor 16 durch eine oder mehrere Vorrichtungen gekoppelt sein. Beispielsweise können verschiedene (nicht gezeigte) Leistungsübertragungsvorrichtungen und (nicht gezeigte) Differentiallenkungseinheiten zwischen dem Elektromotor 16 und der Traktionsvorrichtung 20 vorgesehen sein, um Leistung vom Elektromotor 16 zur Traktionsvorrichtung 20 zu übertragen.

Die Arbeitsmaschine 10 kann ein Elektromotorschutzsystem 26 aufweisen, welches mit dem Elektromotor 16 assoziiert ist. Das Schutzsystem 26 kann konfiguriert sein, um das Risiko eines Schadens an dem Elektromotor 16 zu minimieren oder zu verhindern, und kann ein oder mehrere temperaturempfindliche Elemente 28 aufweisen. Das Schutzsystem 26 kann auch eine Steuervorrichtung 30 aufweisen, die betriebsmäßig mit dem Elektromotor 16 und mit dem einen oder mit der Vielzahl von temperaturempfindlichen Elementen 28 gekoppelt ist.

3 sieht eine diagrammartige Veranschaulichung eines Elektromotorschutzsystems 26 und eines Elektromotors 16 vor. Als eine Anzeigevorrichtung kann der Elektromotor 16 zwei Hauptkomponenten aufweisen: einen Stator 32 und einen Rotor 34, die voneinander durch einen Luftspalt 35 getrennt sind. Der Rotor 34 kann aus einer Anzahl von leitenden Stangen bzw. Schienen 36 in elektrischem Kontakt miteinander und parallel zu einer Welle 38 des Elektromotors 16 verlaufend aufgebaut sein. Der Stator 32 kann ein Muster von Statorleitern 40 aufweisen, die in den Wicklungen angeordnet sind. Wenn Wechselstrom durch die Statorleiter 40 geleitet wird, wird ein sich bewegendes Magnetfeld nahe dem Stator 32 ausgebildet. Dieses Magnetfeld erzeugt elektrische Ströme in den Elementen des Rotors 34, was bewirkt, dass der Rotor 34 selbst ein Magnetfeld erzeugt. Die Gegenwirkung dieser Magnetfelder kann ein Drehmoment an dem Rotor 34 erzeugen, und daher an der Welle 38, die mit dem Rotor 34 gekoppelt sein kann.

Um die hohen Drehmomentniveaus zu erzeugen, die für Traktions- bzw. Antriebsanwendungen benötigt werden, können große Motorströme durch die Statorleitungen 40 geleitet werden. Falls diese nicht überwacht werden, können diese Motorströme schnell ausreichende Wärmeniveaus erzeugen, um die (nicht gezeigte) Statorisolation zu beschädigen, die mit den Statorleitern 40 assoziiert ist. Ein solcher Zustand kann einem Überlastungszustand des Elektromotors 16 entsprechen und kann zu einem letztendlichen oder sofortigen Versagen des Elektromotors 16 führen.

Die Steuervorrichtung 30 und die temperaturempfindlichen Elemente 28 können konfiguriert sein, um gegen Überlastungszustände in dem Elektromotor 16 zu schützen. Wie in 3 gezeigt, kann das Elektromotorschutzsystem 26 eine Vielzahl von temperaturempfindlichen Elementen 28 aufweisen. Während das beispielhafte veranschaulichte Ausführungsbeispiel in 3 eine Anordnung von drei temperaturempfindlichen Elementen 28 aufweist, kann das Schutzsystem 26 irgendeine Anzahl von temperaturempfindlichen Elementen von mehr oder weniger als drei an der Zahl aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Schutzsystem 26 unter Verwendung von nur einem temperaturempfindlichen Element 28 arbeiten.

Die temperaturempfindlichen Elemente 28 können in dem Elektromotor 16 in Regionen benachbart zu einem oder mehreren der Statorleiter 40 angeordnet sein. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung weist eine Region benachbart zum Statorleiter 40 irgendeine Stelle in Kontakt mit dem Statorleiter 40 oder gegenüber diesem versetzt auf, wo das temperaturempfindliche Element 28 zumindest ein gewisses Ansprechen auf Wärme liefern wird, die von dem Statorleiter 40 erzeugt wird. Weiter können die temperaturempfindlichen Elemente 28. irgendwelche Arten von Vorrichtungen aufweisen, die eine Ausgabe liefern können, die in Beziehung mit der Temperatur einer Umgebung stehen, in der sie gelegen sind. In einem Ausführungsbeispiel können ein oder mehrere temperaturempfindliche Elemente 28 eine Platin-Widerstandstemperaturvorrichtung (RTD = Resistive Temperature Device) aufweisen. Eine solche Widerstandstemperaturvorrichtung bzw. RTD kann einen Widerstand aufweisen, der sich mit der Temperatur gemäß einer bekannten Beziehung verändert (beispielsweise einer linearen Beziehung in einem speziellen interessanten Temperaturbereich).

Die Steuervorrichtung 30 kann verschiedene Komponenten aufweisen, um Software-Anwendungen laufen zu lassen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 30 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU = Central Processing Unit), einen Arbeitsspeicher (RAM = Random Access Memory), Eingabe/Ausgabe-Elemente (I/O-Elemente) usw. aufweisen. Die Steuervorrichtung 30 kann eine Einheit bilden, die extra für das Elektromotorschutzsystem 26 vorgesehen ist. Alternativ kann die Steuervorrichtung 30 mit einer elektronischen Steuereinheit (ECU = Electronic Control Unit) der Arbeitsmaschine 10 zusammenfallen. Weiterhin kann die Steuervorrichtung 30 verschiedene Module aufweisen, egal ob integriert oder allein stehend, um den Generatorleistungswandler 17 und den Motorleistungswandler 18 zu steuern. Für die Speicherung und den Aufruf von Informationen und Daten kann die Steuervorrichtung 30 mit einer Speichereinheit 41 assoziiert sein.

Die Steuervorrichtung 30 kann konfiguriert sein, um die Ausgabe von temperaturempfindlichen Elementen 28 zu überwachen und Temperaturwerte zu bestimmen, die mit irgendeinem oder mit allen der temperaturempfindlichen Elemente 28 assoziiert sind. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung kann eine Ausgabe bzw. Ausgangsgröße sowohl aktiv gelieferte Informationen (beispielsweise ein Informationen führendes Signal) als auch passiv gelieferte Informationen (beispielsweise eine messbare oder detektierbare Charakteristik, wie beispielsweise den Widerstand eines Widerstandstemperaturelementes) aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel mit Widerstandstemperaturelement kann die Steuervorrichtung 30 beispielsweise konfiguriert sein, um eine Spannung oder ein Stromsignal zu temperaturempfindlichen Elementen 28 zu liefern und Widerstandswerte zu bestimmen, die mit einem oder mehreren temperaturempfindlichen Elementen 28 assoziiert sind. Basierend auf den gemessenen Widerstandswerten kann die Steuervorrichtung 30 die Temperaturen von den Regionen bestimmen, in denen die temperaturempfindlichen Elemente 28 liegen.

Wegen der signifikanten thermischen Masse, die in dem Stator 32 und in anderen Komponenten des Elektromotors 16 vorhanden sein kann, können die Temperaturwerte, die basierend auf den Ausgangsgrößen der temperaturempfindlichen Elemente 28 bestimmt wurden (d.h. die tatsächlichen Temperaturwerte der Regionen, in denen die temperaturempfindlichen Elemente 28 gelegen sind) anders sein als die tatsächliche Temperatur der Statorleiter 40. Somit kann die Steuervorrichtung 30 konfiguriert sein, um eine vorhergesagte Temperatur zu bestimmen, die mit den Statorleitern 40 assoziiert ist. Diese vorhergesagte Temperatur kann basierend auf einem oder auf mehreren Temperaturwerten bestimmt werden, die von den temperaturempfindlichen Elementen 28 geliefert werden, weiter basierend auf vorbestimmten Wärmedissipations- bzw. Wärmeableitungscharakteristiken des Elektromotors 16, auf der Größe von Strömen, die in die Statorleiter 40 fließen oder die in diese geflossen sind, und basierend auf irgendwelchen anderen die Temperatur beeinflussenden Parametern.

Die Steuervorrichtung 30 kann konfiguriert sein, um die vorhergesagte Temperatur der Statorleiter 40 durch Zusammenaddieren von zumindest einer tatsächlichen Temperatur, die von den temperaturempfindlichen Elementen 28 geliefert wurde, und mindestens einem Ausdruck bzw. einer Größe zu bestimmen, die von dem Strom in den Statorleitern 40 abhängt. In gewissen Ausführungsbeispielen kann die Größe des Stroms in den Statorleitern 40 eine gemessene Größe sein. Alternativ und vorzugsweise kann die Größe des Stroms in den Statorleitern 40 direkt durch eine Motorleistungswandlerfunktion oder den CPU-Teil der Steuervorrichtung 30 gesteuert werden, und kann daher eine bekannte Größe sein.

In einem Ausführungsbeispiel kann die Steuervorrichtung 30 konfiguriert sein, um die vorhergesagte Temperatur der Statorleitungen 40 gemäß der folgenden Gleichung zu bestimmen: Tp(n) = Ta(n) + &agr;I2(n – 1) + &bgr;&Sgr;n-2x=0 &agr;I2(x)(1) wobei Tp die vorhergesagte Temperatur des Leiters ist, wobei n eine Aufnahmezeit darstellt, wobei Ta die tatsächliche Temperatur der Region darstellt, wobei &agr; einen Skalierungsfaktor und einen Dissipations- bzw. Ableitungskoeffizienten für den Elektromotor darstellt, wobei I eine Größe eines Stroms darstellt, der in dem Leiter fließt, und wobei &bgr; eine Dispersions- bzw. Verteilungskonstante für den Elektromotor darstellt. Diese Gleichung schätzt die tatsächliche Temperatur der Statorleiter 40 basierend auf den gegenwärtigen Temperaturauslesungen ab, die von den temperaturempfindlichen Elementen 28 geliefert werden und aufgrund des kurz vorhergehenden Leistungsaufnahmeverlaufs der Statorleitungen 40.

Aufnahmen der Temperaturinformationen, die von den temperaturempfindlichen Elementen 28 geliefert werden, können zu einer Vielzahl von Aufnahmezeitpunkten, n, aufgenommen werden, die voneinander um regelmäßige Aufnahmezeitintervalle beabstandet sind. Diese Aufnahmezeitintervalle können als irgendeine geeignete Zeitlänge in Übereinstimmung mit den Anforderungen einer speziellen Anwendung eingestellt sein. In einem Ausführungsbeispiel können die Aufnahmemessungen und die Berechnung der vorhergesagten Temperatur der Statorleiter 40 in regelmäßigen Intervallen von 10 Millisekunden ausgeführt werden.

Der erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (1) stellt die Temperatur dar, die durch eines der temperaturempfindlichen Elemente 28 bei dem gegenwärtigen Aufnahmezeitpunkt n geliefert wird. Dieser Temperaturwert, wie er oben beschrieben wird, kann einem tatsächlichen Temperaturwert in einer Region benachbart zu den Statorleitern 40 zum Aufnahmezeitpunkt n entsprechen.

Der zweite Ausdruck der Gleichung (1) stellt einen Beitrag zur Temperatur der Statorleiter 40 dar, der durch den Strom verursacht wird, der in den Statorleitern 40 zum Aufnahmezeitpunkt n – 1 fließt (d.h. der Aufnahmezeitpunkt gerade vor dem gegenwärtigen Zeitpunkt n). Der Strom I in den Statorleitern 40 wird in dem zweiten Ausdruck der Gleichung quadriert, um widerzuspiegeln, dass dieser Ausdruck in Beziehung zur Leistungsableitung ist. Der Koeffizient &agr; weist sowohl einen Skalierungsfaktor als auch einen Dissipationskoeffizienten auf, der in Beziehung mit den Dissipations- bzw. Ableitungscharakteristiken des Elektromotors 16 ist.

Der dritte Ausdruck der Gleichung (1) stellt einen diskreten Integrator dar, der die thermischen Ableitungs- bzw. Dispersionseigenschaften des Elektromotors 16 annähert. Eine laufende Summe der thermischen Leistungsableitungsaufnahmen &agr;I2 wird mit einer Dispersionskonstanten &bgr; multipliziert. Die Aufnahmezeit Null (d.h. x = 0) des Integrators bzw. Integrationsterms stellt eine Anfangszeit dar, wo der Temperaturvorhersagealgorithmus den Betrieb beginnt. Die laufende Summe der thermischen Leistungsableitungsaufnahmen weist daher alle Aufnahmen bis zu einem Aufnahmezeitpunkt n – 2 auf (d.h. zwei Aufnahmezeitpunkte vor dem gegenwärtigen Aufnahmezeitpunkt). Der Koeffizient &bgr;, d.h. die Dispersionskonstante, hat einen Wert zwischen 0 und 1 und ist abhängig von der Aufnahmezeitfrequenz der Steuervorrichtung 30.

Die Koeffizienten &agr; und &bgr; können experimentell für den Elektromotor 16 bestimmt werden oder alternativ für eine Klasse von Elektromotoren, die den Elektromotor 16 aufweist. Beispielsweise können die Werte dieser Koeffizienten so ausgewählt werden, dass die vorhergesagte Temperatur, die von der Gleichung (1) geliefert wird, möglichst nah an die tatsächlichen Temperaturbedingungen angepasst ist, die beispielsweise in einer Testlaborumgebung bestimmt wurden. Als ein Beispiel von Koeffizientenwerten, die in dieser Weise bestimmt werden können, kann der Koeffizient &agr; einen Wert von 0,000001 haben und der Koeffizient &bgr; kann einen Wert von 0,98 haben.

Wie oben erwähnt, können die temperaturempfindlichen Elemente 28 eine Anordnung von Elementen aufweisen, die jeweils eine Temperaturinformation liefern, die in Beziehung zu unterschiedlichen Regionen des Elektromotors 16 sind. Die Gleichung (1) kann verwendet werden, um eine Temperatur der Statorleiter 40 basierend auf irgendeinem der temperaturempfindlichen Elemente 28, basierend auf einigen oder allen vorherzusagen. Es kann daher möglich sein, eine Vielzahl von unterschiedlichen vorhergesagte Temperaturwerten der Statorleiter 40 zu erzeugen. Diese unterschiedlichen vorhergesagten Temperaturwerte können heiße Punkte und kalte Punkte in den Statorleitern 40 darstellen oder können variierende Grade der Empfindlichkeit der temperaturempfindlichen Elemente 28 widerspiegeln. Falls erwünscht, kann eine einzige vorhergesagte Temperatur der Statorleiter 40 entweder durch Auswahl eines einzigen vorhergesagten Temperaturwertes (beispielsweise der höchsten berechneten Temperatur) aus der Vielzahl von berechneten Werten, durch Mittelwertbildung der berechneten Werte oder gemäß irgendeinem anderen erwünschten Vorgang bestimmt werden.

Das Bestimmen einer vorhergesagten Temperatur der Statorleiter 40 kann anzeigen, wann ein Überlastzustand im Elektromotor 16 existiert. Zusätzlich kann der vorhergesagte Temperaturwert der Statorleiter 40 verwendet werden, um aktiv einen solchen Überlastzustand zu vermeiden.

4 veranschaulicht ein Informationsflussdiagramm, welches einen beispielhaften Prozess darstellt, den das Elektromotorschutzsystem 26 einsetzen kann, um das Risiko eines Überlastzustandes zu minimieren oder zu verhindern. Wie in 4 gezeigt, stellt eine Karte bzw. ein Kennfeld 42 von Drehmoment gegenüber Drehzahl eine vorbestimmte Nenn-Drehmomentgrenze für den Elektromotor 16 dar. Die Arbeitsmaschine 10 kann einen Motordrehzahlsensor 43 (beispielsweise einen Dual-Hall-Effekt-Sensor oder irgendeine andere geeignete Bauart eines Sensors) aufweisen, wie in 2 gezeigt, um einen gegenwärtigen Betriebsdrehzahlwert für den Elektromotor 16 zu liefern. Unter Verwendung dieses gegenwärtigen Drehzahlwertes bzw. Ist-Drehzahlwertes und des Drehmoment/Drehzahl-Kennfeldes 42 kann die Steuervorrichtung 30 einen Wert des maximal verfügbaren Drehmomentes entsprechend der gegenwärtigen Drehzahl des Elektromotors 16 bestimmen. Dieser Wert des verfügbaren Drehmomentes kann mit einem De-Rate- bzw. Herunterregelungsfaktor multipliziert werden, wie in 4 gezeigt, um eine Drehmomentgrenze zu bestimmen, die auf den Elektromotor 16 angewandt werden kann.

Die Steuervorrichtung 30 kann den Herunterregelungsfaktor durch Vergleich des vorhergesagten Temperaturwertes der Statorleiter 40 mit einem vorherbestimmten Kennfeld 44 des Herunterregelungsfaktors gegenüber der Temperatur bestimmen. Wie veranschaulicht, ist der De-Rate- bzw. Herunterregelungsfaktor ein Wert der zwischen Null und Eins variieren kann. Bei niedrigen Leitertemperaturen ist der Herunterregelungsfaktor eins, was zu einer Drehmomentgrenze gleich der maximal verfügbaren Drehmomentgrenze führt, die von dem Drehmoment/Drehzahl-Kennfeld 42 vorgeschrieben wird (d.h. 100% der maximal verfügbaren Drehmomentgrenze). Wenn die vorhergesagte Temperatur der Statorleiter 40 jedoch ansteigt, kann der Herunterregelungsfaktor einen Wert von weniger als eins haben.

Für einen Herunterregelungsfaktor von beispielsweise 0,5 wäre die auf den Elektromotor 16 aufgebrachte Drehmomentgrenze 50% der maximal verfügbaren Drehmomentgrenze, die von dem Drehmoment/Drehzahl-Kennfeld vorgeschrieben wird. Durch das Herunterregeln des maximal verfügbaren Drehmomentes gemäß der vorhergesagten Temperatur der Statorleiter 40 kann das Risiko eines Überlastungszustandes im Elektromotor 16 verringert werden.

Die Steuervorrichtung 30 kann konfiguriert sein, um eine Drehmomentgrenze auf den Elektromotor 16 nur beim Erreichen einer gewissen vorherbestimmten Schwellentemperatur anzuwenden. Diese Schwellentemperatur kann einer Temperatur Tc entsprechen, wie in dem Herunterregelungsfaktor/Temperatur-Kennfeld 44 gezeigt, die einer Temperatur entspricht, wo der Herunterregelungsfaktor kleiner als Eins wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung 30 konfiguriert sein, um den Betrieb des Elektromotors 16 basierend auf irgendeiner Anzahl von anderen Temperaturschwellenwerten zu steuern. Beispielsweise kann ein kritischer Temperaturschwellenwert so eingestellt sein, dass beim Erreichen der kritischen Temperatur, der Elektromotor 16 ausgeschaltet wird.

Industrielle Anwendbarkeit

Das offenbarte Schutzsystem kann verwendet werden, um irgendeine Komponente von irgendeiner Art von elektrischer Vorrichtung zu schützen, welche durch Wärme beschädigt werden kann. In einem beispielhaften offenbarten Ausführungsbeispiel kann die Komponente einem Statorleiter 40 des Elektromotors 16 entsprechen.

Das gegenwärtig offenbarte Schutzsystem hat verschiedene Vorteile. Während beispielsweise mehrere temperaturempfindliche Vorrichtungen 28 vorgesehen sein können, kann das Schutzsystem 26 konfiguriert sein, um die Temperatur der Statorleiter 40 unter Verwendung von nur einer einzigen temperaturempfindlichen Vorrichtung 28 vorherzusagen. Mit weniger Sensorvorrichtungen kann es beträchtliche Einsparungen bei den Herstellungs- und Montagekosten geben. Weiterhin kann mit weniger Sensoren die Zuverlässigkeit des Schutzsystems 26 gegenüber Systemen mit einer komplexen Anordnung von vielen Sensoren verbessert werden.

Es kann auch Vorteile bei den Herstellungskosten geben, die sich aus der Fähigkeit ableiten, die temperaturempfindlichen Elemente 28 in Regionen benachbart zu Statorleitern 40 anzuordnen. Wegen der Temperaturvorhersagefähigkeiten des Schutzsystems 26 müssen beispielsweise die Temperatursensoren 28 nicht direkt in den Statorleitern 40 oder sogar in Kontakt mit diesen gelegen sein. Die Flexibilität bei der Anordnung der Elemente kann die Komplexität der Konstruktion und die Verarbeitungskosten verringern, die mit der Konstruktion und Montage des Elektromotors 16 assoziiert sind.

Das Schutzsystem 26 kann auch die Effizienz im Betrieb der Arbeitsmaschine 10 verbessern. Anstatt beispielsweise darauf zu warten, dass ein Überlastzustand auftritt, und dann einfach den Elektromotor 16 abzuschalten, was effektiv die Arbeitsmaschine 10 abschalten könnte, kann das Schutzsystem 26 aktiv den Betrieb des Elektromotors 16 steuern, um das Risiko zu verringern, dass ein Überlastungszustand auftritt. Das heißt, durch Überwachung der Temperatursituation der Statorleiter 40 und durch Anwendung von Drehmomentgrenzen für den Elektromotor 16 basierend auf dem Drehmoment/Drehzahl-Kennfeld 42 und dem De-Rate- bzw. Herunterregelungsfaktor/Temperatur-Kennfeld 44 kann das Schutzsystem 26 die Möglichkeit verringern oder eliminieren, dass der Elektromotor 16 ausreichende Drehmoment/Motorstrom-Niveaus erreicht, um einen Überlastungszustand zu erreichen.

Das Schutzsystem 26 kann auch beträchtlich kürzere Ansprechzeiten im Vergleich zu anderen Systemen zeigen. Wenn es beispielsweise eine Vorhersagekomponente mit einschließt, die die Effekte von gegenwärtigen und vergangenen Strompegeln mit einem gemessenen Temperaturwert summiert, kann das Schutzsystem 26 schnell Temperaturveränderungen in den Statorleitern 40 berücksichtigen. Diese Vorhersagefähigkeit des Schutzsystems 26 kann beträchtlich die Ansprechzeiten gegenüber Systemen verringern, die die Leitertemperatur alleine basierend auf der Ausgangsgröße von Abfühlvorrichtungen überwachen.

Es wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen an dem offenbarten Schutzsystem vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich werden andere Ausführungsbeispiele des offenbarten Systems dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung offensichtlich sein. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.

Zusammenfassung Überlastschutzsystem für eine elektrische Vorrichtung

Ein Schutzsystem für eine elektrische Vorrichtung kann mindestens ein temperaturempfindliches Element aufweisen, welches in einer Region benachbart zu einer Komponente der elektrischen Vorrichtung gelegen ist und konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße zu liefern, die in Beziehung mit der tatsächlichen Temperatur in der Region ist. Das System kann auch eine Steuervorrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, um die tatsächliche Temperatur in der Region basierend auf der Ausgangsgröße von dem mindestens einen temperaturempfindlichen Element zu bestimmen und eine vorhergesagte Temperatur der Komponente basierend auf der tatsächlichen Temperatur in der Region und basierend auf einer vorbestimmten Wärmedissipationscharakteristik der elektrischen Vorrichtung zu bestimmen.


Anspruch[de]
Schutzsystem (26) für eine elektrische Vorrichtung (16), die Folgendes aufweist.

mindestens ein temperaturempfindliches Elemente (28), welches in einer Region benachbart zu einer Komponente (40) der elektrischen Vorrichtung gelegen ist und konfiguriert ist, um eine Ausgangsgröße vorzusehen, die mit einer tatsächlichen Temperatur in der Region in Beziehung steht, und

eine Steuervorrichtung (30), die konfigurier ist, um

die tatsächliche Temperatur in der Region basierend auf der Ausgangsgröße des mindestens einen temperaturempfindlichen Elementes zu bestimmen, und

eine vorhergesagte Temperatur der Komponente basierend auf der tatsächlichen Temperatur in der Region und basierend auf einer vorbestimmten Wärmeableitungscharakteristik der elektrischen Vorrichtung zu bestimmen.
Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei die elektrische Vorrichtung einen Elektromotor aufweist, wobei die Komponente einen Statorleiter des Elektromotors aufweist, und wobei die Bestimmung der vorhergesagten Temperatur weiter auf einer Größe eines Stroms basiert, der in dem Leiter fließt. Schutzsystem nach Anspruch 2, wobei die Steuervorrichtung weiter konfiguriert ist, um eine Drehmomentgrenze auf den Elektromotor anzuwenden, und zwar auf die Bestimmung hin, das die vorherbestimmte Temperatur der Komponente einen vorherbestimmten Wert überschreitet. Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine temperaturempfindliche Element eine Platin-Widerstandstemperaturvorrichtung aufweist. Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei die Komponente einen Leiter für Elektrizität aufweist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um die vorhergesagte Temperatur der Komponente durch Zusammenaddieren der tatsächlichen Temperatur und mindestens eines Ausdruckes zu bestimmen, der von einer Größe eines Stroms abhängt, der in dem Leiter fließt. Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei die Komponente einen Leiter für Elektrizität aufweist, und wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um die vorhergesagte Temperatur der Komponente unter Verwendung der folgenden Gleichung zu bestimmen: Tp(n) = Ta(n) + &agr;I2(n – 1) + &bgr;&Sgr;n-2x=0 &agr;I2(x) wobei Tp die vorhergesagte Temperatur der Komponente darstellt, wobei n eine Aufnahmezeit darstellt, wobei Ta die tatsächliche Temperatur der Region darstellt, wobei &agr; einen Skalierungsfaktor und einen Dissipations- bzw. Ableitungskoeffizienten für die elektrische Vorrichtung darstellt, wobei I eine Größe eines Stroms darstellt, der in dem Leiter fließt, und wobei &bgr; eine Dispersionskonstante darstellt. Arbeitsmaschine, die das Schutzsystem nach einem der Ansprüche 1-6 aufweist. Verfahren zum Schutz gegen einen Überlastzustand eines Elektromotors (16), welches Folgendes aufweist.

Bestimmen einer tatsächlichen Temperatur einer Region benachbart zu einer Komponente (40) des Elektromotors;

Berechnen einer vorhergesagten Temperatur der Komponente basierend auf der tatsächlichen Temperatur und mindestens einer Wärmedissipations- bzw. Wärmeableitungscharakteristik des Elektromotors; und

Einstellen von mindestens einem Betriebsparameter des Elektromotors, wenn die vorhergesagte Temperatur einen vorherbestimmten Wert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Einstellen des mindestens einen Betriebsparameters des Elektromotors aufweist, eine Drehmomentgrenze auf den Elektromotor anzuwenden. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Komponente einen Leiter für Elektrizität aufweist, und wobei die Berechnung der vorhergesagten Temperatur die Verwendung der folgenden Gleichung aufweist. Tp(n) = Ta(n) + &agr;I2(n – 1) + &bgr;&Sgr;n-2x=0 &agr;I2(x) wobei Tp die vorhergesagte Temperatur der Komponente darstellt, wobei n eine Aufnahmezeit darstellt, wobei Ta die tatsächliche Temperatur der Region darstellt, wobei &agr; einen Skalierungsfaktor und einen Dissipations- bzw. Ableitungskoeffizienten für den Elektromotor, wobei I eine Größe eines Stroms darstellt, der in dem Leiter fließt, und wobei &bgr; eine Dispersionskonstante darstellt.






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