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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft bürstenlose Erregungssysteme für rotierende elektrische Maschinen und betrifft insbesondere einen Temperatur messenden Fehlerdetektor für ein bürstenloses Erregungssystem.
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Ein bürstenloses Erregungssystem (oder einfacher ”bürstenloser Erreger”) legt eine Gleichspannung (DC) an die Feldspulen eines Rotors in einer elektrischen Maschine an. Der Strom in den Rotorfeldspulen erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das eine Spannung beispielsweise in den Spulen eines den Rotor umgebenden Stators und in einem Wechselstrom erzeugenden Generator induziert. Alternativ kann das elektromagnetische Feld aus den Rotorfeldspulen zum Antreiben des Rotors eines Motors verwendet werden.
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Typischerweise ist ein bürstenloses Erregungssystem auf dem Rotor der elektrischen Maschine montiert und dreht sich mit diesem. Das bürstenlose Erregungssystem enthält einen rotierenden Anker und einen Diodengleichrichter, welcher als ein Diodenrad konfiguriert sein kann. In dem rotierenden Anker erzeugte Wechselspannung (AC) wird durch den Diodengleichrichter in Gleichspannung umgewandelt, die an die Feldwicklungen des Rotors angelegt wird.
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Ein Fehler in einer Diode des Gleichrichters kann die Umwandlung von AC in DC durch den Gleichrichter beeinträchtigen. Ein Diodengleichrichter hat typischerweise zwei oder mehr in Reihe geschaltete redundante Dioden für jede Phase der an den Eingang des Gleichrichters angelegten Wechselstroms. Es ist aufgrund des Vorhandenseins redundanter Dioden meist schwierig, einen Fehler in einer Diode zu erkennen. Es kann sein, dass der Ausfall nur einer Diode die Fähigkeit des Gleichrichters, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, nicht wesentlich reduziert. Der Ausfall von zwei oder mehr in Reihe geschalteter Dioden kann die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom beeinträchtigen, zu einem Ausfall des Gleichrichters führen und in einer ungeplanten Abschaltung der elektrischen Maschine resultieren.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine einschließlich der Schritte der Bereitstellung eines bürstenlosen Erregungssystems mit einem Diodengleichrichter mit wenigstens einer Diode, der Messung von Wärmeenergie, die durch wenigstens einem zu der Diode parallel geschalteten Widerstand erzeugt wird, und der Erkennung einer Abweichung der von dem wenigstens einen Widerstand erzeugten Wärmeenergie bereitgestellt. Ein weiterer Schritt erzeugt ein eine ausgefallene oder fehlerhafte Diode oder einen Fehler in einer Diode anzeigendes Signal, wenn die Abweichung in der erzeugten Wärmeenergie einen vorbestimmten Schwellenwertabweichungspegel überschreitet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein bürstenloses Erregungssystem für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Das System enthält einen mit einer Wechselstromquelle elektrisch gekoppelten Diodengleichrichter und der Gleichrichter erzeugt einen Gleichstrom, welcher an Feldwicklungen eines Rotors der elektrischen Maschine geleitet wird. Mehrere Widerstände sind so konfiguriert, dass jeder Widerstand zu einer Diode in dem Diodengleichrichter parallel geschaltet ist. Mehrere Temperatursensoren in unmittelbarer Nähe zu den mehreren Widerständen sind jeweils so angeordnet, dass sie Wärmeenergie von einem der Widerstände messen, und jeder Temperatursensor erzeugt ein die gemessene Wärmeenergie anzeigendes Temperatursignal des an den Sensor angrenzenden Widerstands. Eine Steuerung empfängt die Temperatursignale aus den Widerständen anzeigende Temperaturdaten, und detektiert auf der Basis der Temperaturdaten, ob eine der Dioden ausgefallen oder fehlerhaft ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Schaltbild eines Schaltkreises für ein bürstenloses Erregungssystem.
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2 ist eine Draufsicht auf einen Verbinderleiter in einem bürstenlosen Erregungssystem mit einem Temperatursensor.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 ist eine Schaltbildansicht eines exemplarischen bürstenlosen Erregungssystems 10 eines Generators zum Liefern von Erregungsstrom an die Feldspulen 12 des Rotors 13 eines Wechselstrom-(AC)-Generators 14, wie z. B. eines Synchrongenerators. Die Komponenten des bürstenlosen Erregungssystems 10 befinden sich innerhalb des in 1 dargestellten Strichlinienkastens mit gleichartigen Strichen. Die Komponenten mit der Punkt-Strich-Linie 11 drehen sich mit dem Rotor 1 des Generators 14.
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Der Wechselstromgenerator 14 kann ein Dreiphasen-Synchrongenerator sein, der elektrische Energie für ein elektrisches Kraftwerk erzeugt, wie z. B. durch Erzeugung von Energie bei einer Frequenz und einer Spannung, die für ein Gebäude, Geschäfte und andere Einrichtungen versorgendes elektrisches Energienetz geeignet ist. Sobald sich der Rotor 13 dreht, induziert ein durch die Feldspulen 12 erzeugtes elektromagnetisches Feld in dem Stator 15 des Generators eine Spannung. Alternativ kann das hierin offenbarte bürstenlose Erregungssystem auf einen elektrisch angetriebenen Motor angewendet werden.
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Eine elektrische Stromquelle 16 liefert Gleichstrom an das bürstenlose Erregerfeld 18. Die Stromquelle 16 kann ein Permanentmagnetgenerator (PMG) sein, der elektrische Wechselstrom-(AC)-Energie erzeugt, oder ein mit einer Wechselstromquelle verbundener Transformator. Die Wechselstrom aus der Stromquelle 16 wird in der Steuerung 20 gleichgerichtet, um Gleichstrom an die bürstenlose Erregerfeldwicklung 18 zu liefern. Das Erregerfeld legt den magnetischen Fluss an einen Anker 26 des bürstenlosen Erregungssystems 10 an. Die Stromquelle 16 kann durch eine Steuervorrichtung 20 gesteuert und überwacht werden, wie z. B. durch eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC), einen Mikrocontroller, einen Erregungsregler oder Computer. Die Steuervorrichtung 20 überwacht den Zustand des bürstenlosen Erregungssystems, analysiert Daten bezüglich des Zustands des Systems und erzeugt Berichte und Alarmmeldungen bezüglich des Zustands des Systems 10.
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Der Empfänger 22 sammelt Daten von den rotierenden Komponenten des bürstenlosen Erregungssystems 10, wie z. B. mittels eines Schleifrings in Kontakt mit dem Rotor 13 oder einem an dem Rotor befestigten drahtlosen Sender 24. Der drahtlose Sender kann Infrarot-, Hochfrequenz- oder andere Arten von drahtlosen Signalen mit Daten bezüglich des Zustands des bürstenlosen Erregungssystems 10 senden.
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Die Erregerfeldspulen 18 des bürstenlosen Erregungssystems 10 sind elektromagnetisch mit Spulen des Ankers 26 für das bürstenlose Erregungssystem gekoppelt. Die Spulen des Ankers sind auf einen Rotor 28 montiert, welcher an einem Ende des Rotors 13 im Generator 14 angebracht sein kann. Wechselstrom wird in die Erregerfeldwicklung 18 in den Erregerspulen des Ankers 26 induziert. Der Wechselstrom aus den Erregerfeldspulen im Anker 26 wird an einen Diodengleichrichter 30 für elektrischen Strom angelegt. Der Wechselstrom wird durch den Diodengleichrichter 30 in Gleichstrom umgewandelt. Der Gleichstrom aus dem Diodengleichrichter 30 wird an die Rotorfeldspulen 12 des Rotors 13 für den Generator 14 angelegt.
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Der Diodengleichrichter 30 kann eine Anordnung von Dioden 32 für jede Phase des Wechselstroms, z. B. für drei Stromphasen aus den Ankerspulen 26 des Erregerrotors enthalten. Die Dioden können auf einem Diodenrad angeordnet sein. Die Ausgangsanschlüsse 34 des Diodengleichrichters 30 legen Gleichstrom an Verbinderleiter 35 an, die mit den Rotorfeldspulen 12 gekoppelt sind. Die Eingangsanschlüsse 36 zu dem Diodengleichrichter sind mit den Spulen des Ankers verbunden, um Wechselstrom aufzunehmen. Die Dioden 32 in jeder Anordnung lassen einen Stromfluss nur in einer Richtung zu und wandeln dadurch Wechselstrom in Gleichstrom um. Die Dioden 32 sind in Reihe angeordnet. Wechselstrom an den Eingangsanschlüssen 36 fließt in nur einer Richtung durch die Dioden 32.
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Die Dioden 32 stellen sicher, dass Gleichstrom an die Rotorfeldspulen 12 angelegt wird. Zwei oder mehr Dioden sind bevorzugt in Reihe geschaltet, um Redundanzen in dem Gleichrichter bereitzustellen. Wenn eine oder mehrere von den Dioden 32 in jeder Diodenanordnung ausfällt, kann die Gleichrichtung des Wechselstroms vollständig durch die redundante Diode in der Anordnung durchgeführt werden. Der Ausfall nur einer Diode 32 kann die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom nicht wesentlich beeinträchtigen, da die weitere Diode in Reihe mit der ausgefallenen Diode die Gleichrichtung durchführen kann. Wenn beide in Reihe geschaltete Dioden ausfallen, fällt die Umwandlung dieser Phase aus. Wenn zwei oder mehr Dioden in der Anordnung ausfallen, kann Wechselstrom durch die ausgefallenen Dioden fließen und an die Rotorfeldwicklungen 12 angelegt werden. Ein an die Rotorfeldwicklungen angelegter Wechselstrom beeinträchtigt die Erzeugung der durch den Rotor erzeugten elektromagnetischen Felder, verringert den Stromerzeugungswirkungsgrad des Generators 14 und bewirkt typischerweise eine Abschaltung des Generators.
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Die Blockier- oder Sperrspannungsamplitude über jeder von den Dioden 32 kann typischerweise groß, typischerweise zwischen 40 und 500 Volt sein. In einigen Anwendungen oder Zuständen kann diese Spannung bis zu 1000 Volt sein.
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Die Hinzufügung eines hochohmigen Hochspannungswiderstandes 33 parallel zu der Diode 32 angrenzend an und in unmittelbarer Nähe eines RTD oder einer Temperaturmessvorrichtung 42 erzeugt eine messbare Temperatur über der Umgebung, welche einen normalen Betriebszustand darstellt. Die Hinzufügung dieses parallelen Widerstandes 33 verstärkt Wärmeeigenschaften von Betrieb oder Ausfall der Diode 32. Während sich die Diode 32 in einem Vorwärtsbetriebszustand befindet, ist der Spannungsabfall klein, und erzeugt nahezu keine Wärme. Wenn die Dioden 32 sperren, liegt die Sperrspannung an dem Widerstand 33 an und erzeugt Wärme. Wenn zwei Dioden 32 in Serie geschaltet sind und eine von den Dioden ausgefallen ist, erzeugt der kurzgeschlossene Zustand des Sperrpotenzials wenig Wärme, während der Widerstand 33 parallel zu der funktionierenden Diode nahezu die doppelte Wärme im Vergleich zum normalen Zustand erzeugt. Die Anwendung eines Vergleichsalgorithmus an der Dioden-Widerstands-Anordnung ermittelt einen Fehler in einer Diode, einen Diodenkurzschlussfehler oder Widerstandsöffnungsfehler. Paare des Widerstands- 33 und RTD 42 können in einer solchen Weise montiert oder isoliert werden, dass der RTD 42 eine unterscheidbare Temperatur mit dem Widerstand misst, um die Verlustleistung zu minimieren.
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Die Temperatur jedes Widerstandes 33 zeigt an, ob die Diode 32 ausgefallen ist. Ein Diodenausfall in einem bürstenlosen Erregungssystem führt nahezu immer zu einem Kurzschluss oder Fast-Kurzschluss in der Diode. Der zu der ausgefallenen Diode parallel geschaltete Widerstand erfährt einen verringerten Stromfluss und eine verringerte Temperatur im Vergleich zu Widerständen, die über funktionierende Dioden geschaltet sind. Ebenso erzeugt der Begleitwiderstand über der funktionierenden Diode in einem Diodenmodulpaar mit einer ausgefallenen Diode nahezu die doppelte Energie eines Widerstandes im normalen Betriebszustand.
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Ein Temperatursensor 42 ist in der Nähe jedes Widerstands 33 positioniert und bevorzugt thermisch zusammen mit dem Widerstand isoliert. Die Temperatursensoren 42, wie z. B. Widerstandstemperatursensoren (RTDs) erzeugen ein die Betriebstemperatur des benachbarten Widerstandes bzw. der Widerstände 33 anzeigendes Ausgangssignal. Die Temperatursignale aus den Temperatursensoren können drahtgebunden an den Sender 24 geleitet werden. Der Sender sendet die Temperatursignale an den Empfänger 22 und die Steuervorrichtung 20. Alternativ können die Temperatursignale aus den Temperatursensoren über eine drahtlose Verbindung (z. B. Hochfrequenz, RFID-Etiketten, usw.) an den Sender 24 übertragen werden.
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Um die ausgefallene Diode 32 zu detektieren, überwacht die Steuerung 20 die Temperatursignale aus jeden der Temperatursensoren 42. Die Temperatursignale zeigen die Temperatur des an den Sensor angrenzenden Widerstandes und die Umgebungstemperatur an. Wenn die Steuerung erkennt, dass die Temperatur eines Widerstandes über einen vorbestimmten oder Vergleichsschwellenwert gefallen oder angestiegen ist, ermittelt die Steuerung, dass die Diode ausgefallen ist. Die Steuerung kann einen Alarm oder eine die ausgefallene Diode identifizierende Meldung ausgeben. Die Steuerung kann auch anzeigen, welche Diode ausgefallen ist und/oder ob der Temperatursensor ein niedriges oder hohes Temperatursignal des Diodenparallelwiderstandes ausgibt.
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Um zu ermitteln, ob ein Temperatursignal aus einem Sensor 42 eine ausgefallene Diode anzeigt, vergleicht die Steuervorrichtung 20 das Signal mit den Temperatursignalen aus den anderen Temperatursensoren 42. Der Vergleich kann eine Berechnung eines Mittelwertes aller Temperatursignale aus allen Sensoren 42 in dem Gleichrichter und die Prüfung auf Signale beinhalten, die sich über oder unter dem Mittelwert um mehr als einen Schwellenwertbetrag, wie z. B. mehr als etwa 5°C, über dem Durchschnittstemperatursignal befinden. Das Durchschnittstemperatursignal kann über eine kürzlich verstrichene Zeitperiode ermittelt werden, wie z. B. als ein Mittelwert aller Temperatursignale über eine Periode von wenigstens 1 Minute. Zusätzlich kann die Steuervorrichtung die Temperaturen jedes Widerstands in einer Reihenschaltung von Dioden für eine der Wechselstromphasen vergleichen. Wenn einer von den in Reihe geschalteten Widerständen sich auf erheblich niedrigerer oder höherer Temperatur befindet, d. h., auf etwa 5°C höherer oder niedrigerer Temperatur ist, ermittelt die Steuervorrichtung 20, dass die entsprechende Diode ausgefallen ist.
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Als nicht einschränkendes Beispiel erfährt, wenn die Diode 32A durch Kurzschluss ausfällt, während die Diode 32B funktionsfähig bleibt, dann der Widerstand 33A einen verringerten Stromfluss im Vergleich zum Widerstand 33B. Demzufolge ist der Widerstand 33A im Vergleich zum Widerstand 33B ”kühler”. Ein relativ ”heißerer” Widerstand 33B kann eine ausgefallene Diode 32A anzeigen. Ebenso kann ein relativ ”kühlerer” Widerstand 33A eine ausgefallene Diode 32A anzeigen.
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Ferner können der durch das bürstenlose Erregungssystem erzeugte Gleichstrom und die Energie durch einen Temperatursensor 44 und elektrische Kontakte 46 ermittelt werden, die auf jedem der Verbinderleiter 35 montiert sind, die sich zwischen dem Diodengleichrichter 30 und den Feldwicklungen 12 des Rotors erstrecken. Der Temperatursensor 44 (z. B. ein RTD) kann in der Mitte des Verbinderleiters 35 und in der Mitte zwischen zwei Punkten platziert sein, an welchen elektrische Kontakte 46 mit dem Leiter verbunden sind. Der Widerstand von jedem der Verbinderleiter ist eine Funktion der Temperatur des Leiters. Durch Messen der Temperatur des Verbinderleiters kann der Widerstand des Verbinderleiters zuverlässig ermittelt werden.
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Der Strom in dem Verbinderleiter kann durch Messen des Spannungspotentials über dem Verbinderleiter 35 und Berechnen des Widerstandes des Verbinderleiters ermittelt werden. Das Spannungspotential an zwei Punkten an entfernten Enden des Verbinders wird durch Ermitteln der Differenz des Spannungspotentials an den elektrischen Kontakten 46 gemessen. Das Ausgangssignal eines Operationsverstärkers 48 zeigt die Spannungsdifferenz zwischen den zwei Punkten auf dem Verbinderleiter an. Das Spannungsdifferenzsignal aus dem Operationsverstärker und das Temperatursignal aus dem Sensor 44 werden an die Steuerungsvorrichtung 20 gesendet. Es ist bekannt, dass gemäß dem Ohm'schen Gesetz die Spannung gleich dem Produkt des Stroms und des Widerstandswertes ist. Die Steuerungsvorrichtung kann den Strom in den Verbinderleiter ermitteln, indem die Spannungsdifferenz über dem Verbinder durch den Widerstand zwischen den zwei Punkten auf dem Verbinder, mit welchem die elektrischen Kontakte 46 verbunden sind, dividiert wird.
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2 ist eine Vorderansicht eines Leiterverbinders 35 mit einem Temperatursensor 44 und elektrischen Leitern 46, die mit dem Verbinder verbunden und darauf in Abstand angeordnet sind. Der Leiterverbinder kann eine leitende Stange oder ein Streifen sein, der sich zwischen dem bürstenlosen Erregungssystem und den Feldspulen des Rotors erstreckt. Die Stange kann aus zwei oder mehr parallelen Blättern zur mechanischen Spannungsentlastung bestehen.
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Der Abstand (D) auf dem Leiterverbinder zwischen den elektrischen Leitern 46 ist bekannt. Der elektrische Widerstand zwischen den elektrischen Leitern wird durch die Steuerungsvorrichtung auf der Basis des Abstandes (D) und der Temperatur des Leiterverbinders ermittelt. Die Steuerungsvorrichtung kann eine Nachschlagetabelle oder eine Formel speichern, die beispielsweise den Widerstand zwischen den elektrischen Leitern 46 auf der Basis der Temperatur des Leiterverbinders identifiziert.
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Die Temperatursensoren 42 werden zur Detektion von Fehlern in dem Diodengleichrichter angewendet. Die Erkennung von Diodenfehlern liefert einen technischen Effekt einer Meldung, wenn der Diodengleichrichter in einem bürstenlosen Erregungssystem eine Reparatur erfordert, bevor das System vollständig für die Erzeugung von ausreichend Gleichstrom für die Rotorfeldwicklungen ausfällt. Beispielsweise liefert die Erkennung eines einzelnen Diodenausfalls in einer Diodenanordnung eine Anzeige für eine erforderliche Reparatur. Der Ausfall nur einer Diode in einer Diodenanordnung kann nicht den gesamten Ausfall des Diodengleichrichters bewirken. Jedoch kann der Ausfall von zwei oder mehr Dioden in Reihe in einer Diodenanordnung zu dem Ausfall des Diodengleichrichters führen. Eine Anzeige, dass eine einzelne Diode ausgefallen ist, zeigt dem Betreiber des bürstenlosen Erregungssystems, dass eine Reparatur, beispielsweise während der nächsten geplanten Abschaltung des Generators, erforderlich ist. Die rechtzeitige Reparatur einer einzelnen ausgefallenen Diode verringert das Risiko, dass der gesamte Diodengleichrichter ausfällt und eine ungeplante Abschaltung des Generators bewirkt.
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Die Temperatursensoren 44 werden angewendet, um den Gleichstrom in jedem der Leiterverbinder zu ermitteln. Eine Echtzeitauslesung des Gleichstroms aus dem bürstenlosen Erregungssystem liefert eine Anzeige für die Steuerungsvorrichtung und den Betreiber des Generators über den Betriebszustand der Rotorfeldwicklungen und des Generators.
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Obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was derzeit als die praktikabelste und bevorzugteste Ausführungsform betrachtet wird, dürfte es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offengelegten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die in dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sind, abdecken soll.
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Es werden ein Verfahren und System zum Betreiben einer elektrischen Maschine 14 bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der Bereitstellung eines bürstenlosen Erregungssystems 10 mit einem Diodengleichrichter 30 mit wenigstens einer Diode 32, der Messung von Wärmeenergie, die durch wenigstens einem zu der Diode 32 parallel geschalteten Widerstand 33 erzeugt wird, und der Erkennung einer Abweichung der von dem wenigstens einen Widerstand 33 erzeugten Wärmeenergie. Ein weiterer Schritt erzeugt ein einen Fehler in einer Diode oder eine ausgefallene oder fehlerhafte Diode anzeigendes Signal, wenn die Abweichung in erzeugter Wärmeenergie einen vorbestimmten Schwellenwertabweichungspegel überschreitet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- bürstenloses Erregungssystem
- 12
- Feldspulen
- 13
- Rotor
- 14
- Generator
- 15
- Stator
- 16
- Energiequelle
- 18
- Feldwicklung des bürstenlosen Erregers
- 20
- Steuerungsvorrichtung
- 22
- Empfänger
- 24
- Sender
- 26
- Anker
- 28
- Rotor
- 30
- Diodengleichrichter
- 32
- Diode
- 33
- Widerstand
- 34
- Ausgangsanschlüsse
- 35
- Verbinderleiter
- 36
- Eingangsanschlüsse
- 40
- Wärmesenke
- 42
- Temperatursensor
- 44
- Temperatursensor
- 46
- elektrische Kontakte
- 48
- Operationsverstärker
