DE102012220843A1

DE102012220843A1 - Diagnose einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102012220843A1
Application number: DE201210220843
Authority: DE
Inventors: Allan Muschel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-05-28

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Charakterisieren eines Stators (7) einer Drehfeldmaschine (1), welcher eine Mehrzahl von Eingangsanschlüssen (17, 21, 25) für eine entsprechende Mehrzahl von Wicklungen (9, 11, 13) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Unterbrechen (61) einer elektrischen Verbindung zwischen einerseits einem ersten Eingangsanschluss (17) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators (7) und andererseits Eingangspotentialen (35, 37) eines Umrichters (3), zwischen denen eine Eingangsgleichspannung (Uzk) anliegt; Versorgen (63) eines zweiten Eingangsanschlusses (21) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem zweiten Ausgangspotential (V) des Umrichters; Versorgen (65) eines dritten Eingangsanschlusses (25) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem dritten Ausgangspotential (W) des Umrichters; Messen (67) einer am ersten Eingangsanschluss gegen ein Referenzpotential anliegenden ersten Spannung; Vergleichen (69) der ersten gemessenen Spannung mit einer ersten erwarteten Spannung; und Charakterisieren (71) des Stators (7) basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Stators einer Drehfeldmaschine.
Eine Drehfeldmaschine, wie etwa eine Synchronmaschine oder Asynchronmaschine, insbesondere ein Synchronmotor oder Asynchronmotor, kann beispielsweise in einem Automobil in einem Servolenksystem oder als Hauptantriebssystem eingesetzt werden. Hierbei muss eine funktionelle Sicherheit der Drehfeldmaschine sichergestellt werden, um Schäden an Mensch und Maschine zu vermeiden. Dabei kann es erforderlich sein oder gesetzlich vorgeschrieben sein, den Zustand der Drehfeldmaschine kontinuierlich zu überwachen, um kritische Zustände, insbesondere sicherheitsrelevante Zustände, zu identifizieren und gegebenenfalls Maßnahmen zu ergreifen, um Gefährdungen oder Beschädigungen zu vermindern oder auszuschließen. Fehlerzustände der Drehfeldmaschine können dabei insbesondere Fehler im elektrischen System der Drehfeldmaschine, wie etwa Kurzschlüsse, Wicklungsschlüsse etc., umfassen.
Aus der DE 10 2008 042 390 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Diagnose von Fehlerzuständen einer im Stern gewickelten Drehfeldmaschine bekannt, wobei eine Spannung zwischen dem Sternpunktpotential der Drehfeldmaschine und einem oder mehreren repräsentativen Potentialen eines Zwischenkreises der Drehfeldmaschine überwacht wird. Als nachteilig hat sich hierbei insbesondere erwiesen, dass das Sternpunktpotential, d. h. das Potential an einem elektrischen Knoten, an welchem die drei Wicklungen des Stators elektrisch verbunden sind, zur Messung aus der Drehfeldmaschine heraus geführt werden muss, was sich als schwierig erwiesen hat, da spezielle Vorkehrungen getroffen werden müssen, um das Sternpunktpotential beispielsweise mittels eines elektrischen Leiters aus der Drehfeldmaschine herauszuführen, um es von außen zugänglich zu machen.
Es mag daher einen Bedarf geben für ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Stators einer Drehfeldmaschine, welches eine zuverlässige Überwachung der Drehfeldmaschine hinsichtlich eines Fehlerzustandes des Stators ermöglicht und mit herkömmlichen Drehfeldmaschinen in einfacher Weise durchgeführt werden kann. Eine Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Stators einer Drehfeldmaschine bereitzustellen, welche eine zuverlässige Diagnose des Stators ermöglichen und in einfacher Weise ohne konstruktive spezielle Vorkehrungen durchgeführt bzw. realisiert werden können.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche spezifizieren besondere Ausführungsformen der Erfindung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist bereitgestellt ein Verfahren zum Charakterisieren eines Stators einer Drehfeldmaschine, welches eine Mehrzahl von Eingangsanschlüssen für eine entsprechende Mehrzahl von Wicklungen aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einerseits einem ersten Eingangsanschluss der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators und andererseits Eingangspotentialen eines Umrichters, zwischen denen eine Eingangsgleichspannung anliegt; Versorgen eines zweiten Eingangsanschlusses der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem zweiten Ausgangspotential des Umrichters; Versorgen eines dritten Eingangsanschlusses der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem dritten Ausgangspotential des Umrichters; Messen einer am ersten Eingangsanschluss gegen ein Referenzpotential anliegenden ersten Spannung; Vergleichen der ersten gemessenen Spannung mit einer ersten erwarteten Spannung; und Charakterisieren des Stators basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens.
Die Drehfeldmaschine kann insbesondere eine Synchronmaschine oder Asynchronmaschine sein, insbesondere ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor. Dabei kann der Stator eine Mehrzahl von Wicklungen aufweisen, welche insbesondere im Stern geschaltet sind. Insbesondere kann der Stator drei Wicklungen aufweisen, welche im Stern geschaltet sind oder im Dreieck geschaltet sind. Die Drehfeldmaschine kann weiterhin einen Rotor (entweder Außenrotor oder Innenrotor) aufweisen, welcher einen oder mehrere Magneten, insbesondere Permanentmagneten, aufweist. Insbesondere kann der Stator mindestens oder genau drei Eingangsanschlüsse aufweisen, um den einzelnen Wicklungen, insbesondere drei Wicklungen, eine elektrische Versorgung insbesondere mit einer Wechselspannung bereitzustellen.
Insbesondere kann zur Ansteuerung der Drehfeldmaschine, insbesondere des Synchronmotors, im normalen Betrieb eine Vektorregelung mit Raumzeigermodulation eingesetzt werden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dabei kann beispielsweise ein Umrichter bereitgestellt sein, welcher aus einer Eingangsgleichspannung, welche zwischen den Eingangspotentialen des Umrichters anliegt, eine Wechselspannung erzeugt, welche in insbesondere drei Phasen über insbesondere drei Ausgangsanschlüsse des Umrichters an die drei Wicklungen geführt wird. Mittels einer Ansteuerung von Transistoren, welche innerhalb des Umrichters umfasst sind, kann durch eine Pulsweitenmodulation eine Wechselspannung beliebiger Frequenz durch den Umrichter erzeugt werden, wodurch es ermöglicht ist, den Synchronmotor mit einer gewünschten Umdrehungsfrequenz zu betreiben. Damit kann beispielsweise durch ein entsprechendes Auswählen der Verhältnisse der Öffnungs- bzw. Schließzeiten der Transistoren die Phase der Wechselspannung an einem der Ausgangsanschlüsse beliebig eingestellt werden und somit das Feld der Statormagnete mit der gewünschten Synchronfrequenz rotiert werden.
Die Wicklungen des Stators können einen ferromagnetischen Kern umgreifen, um bei Erregung der Wicklung ein gewünschtes Magnetfeld zu erzeugen. Insbesondere können die Kerne so dimensioniert sein, dass die Wicklungen derart in Sättigung betrieben werden, dass das durch die Wicklungen und den jeweiligen Kern erzeugte magnetische Feld einen asymptotischen Maximalwert erreicht, der bei weiterer Stromflusserhöhung durch die entsprechende Wicklung nicht mehr erhöht werden kann. Damit kann z. B. ein bestimmtes magnetisches Feld, insbesondere das maximale magnetische Feld, zuverlässig reproduziert werden. Der Umrichter kann insbesondere mit zwei Eingangspotentialen versorgt werden, wobei das eine Eingangspotential ein gegenüber einem Erdpotential positives Potential und das zweite Eingangspotential ein gegenüber dem Erdpotential negatives Potential ist. Damit kann vorteilhafterweise eine Wechselspannung an den insbesondere drei Ausgängen des Umrichters erzeugt werden. Die Ausgangspotentiale des Umrichters können, wie oben angedeutet, durch Pulsweitenmodulation der Transistoren des Umrichters auf beliebige Werte gesetzt werden und mit beliebiger Frequenz variieren. Insbesondere ist das zweite Ausgangspotential und/oder das dritte Ausgangspotential während des Unterbrechens der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Eingangsanschluss und den Eingangspotentialen des Umrichters (im Folgenden auch als Öffnen des ersten Brückenzweiges bezeichnet) größer oder kleiner als das Erdpotential, sodass die zweite Wicklung und/oder die dritte Wicklung zur Erzeugung eines Magnetfelds erregt werden.
Das Referenzpotential, gegen welches das am ersten Eingangsanschluss anliegende Potential zur Messung der ersten Spannung gemessen wird, kann beispielsweise das Erdpotential sein oder ein Potential der Eingangspotentiale des Umrichters. Die erste erwartete Spannung kann z. B. aufgrund erwarteter elektrischer Eigenschaften von Komponenten des Stators und/oder der gesamten Drehfeldmaschine bestimmt sein und kann beispielsweise in einem elektronischen Speicher abgelegt sein.
Das Charakterisieren des Stators kann dabei ein Charakterisieren der elektrischen Eigenschaften des Stators umfassen, wie etwa ein Detektieren eines Fehlerzustands, insbesondere Kurzschluss oder Wicklungsschluss, welcher insbesondere die Wicklungen des Stators betrifft. Alternativ kann ein korrektes Funktionieren bzw. ein korrekter Zustand des Stators detektiert werden.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung kann beispielsweise auf ein mühsames und schwieriges Herausführen eines Sternpunktpotentials aus der Drehfeldmaschine verzichtet werden, eine zuverlässige Diagnose oder Charakterisierung des Stators jedoch sichergestellt sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hängt die erste erwartete Spannung von der Eingangsgleichspannung ab, und ist insbesondere proportional dazu. Die erste erwartete Spannung kann dabei umso höher sein, je höher die Eingangsgleichspannung ist. Insbesondere kann die erste erwartete Spannung in Einheiten der Eingangsgleichspannung bestimmt werden. Berücksichtigung dieser Abhängigkeit der ersten erwarteten Spannung von der Eingangsgleichspannung kann das Charakterisieren des Stators verbessern.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bei Drehzahl 0 (Null) der Drehfeldmaschine bzw. bei deren näherungsweisem Stillstand, die erste erwartete Spannung proportional zu einem Verhältnis von Scheinwiderständen (bzw. Impedanzen oder Induktivitäten) einer zweiten Wicklung, die mit dem zweiten Eingangsanschluss verbunden ist, und einer dritten Wicklung, die mit dem dritten Eingangsanschluss verbunden ist. Die Scheinwiderstände geben insbesondere den imaginären Anteil der Impedanz der jeweiligen Wicklung an. Damit kann in einfacher Weise die erste erwartete Spannung abgeleitet werden, um somit das Verfahren zu vereinfachen. Beispielsweise ist also die Spannung U an dem ersten Eingangsanschluss proportional zum Verhältnis X_V/X_W der Scheinwiderstände der zweiten und dritten Statorwicklungen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann bei Drehzahl ungleich Null der Drehfeldmaschine die erste erwartete Spannung ferner von in der zweiten Wicklung und in der dritten Wicklung und/oder in der ersten Wicklung induzierten Spannungen und/oder Stromflüssen dahin durch abhängig sein. Insbesondere können Magnete des Rotors bei Rotation des Rotors in der ersten Wicklung und/oder in der zweiten Wicklung und/oder in der dritten Wicklung Spannungen (Polradspannung) induzieren, welche die erste erwartete Spannung beeinflussen können. Durch Berücksichtigung dieser induzierten Spannungen bzw. Stromflüsse kann eine Genauigkeit der Bestimmung der ersten erwarteten Spannung erhöht werden, um somit das Verfahren zuverlässiger und genauer durchführen zu können, beispielsweise mittels einer Vorhersage derselben, die auf einem Modell der Maschine basieren kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf: Erzeugen, falls die erste gemessene Spannung nicht der ersten erwarteten Spannung gleicht, eines Fehlersignals, welches anzeigt, dass die zweite Wicklung und/oder die dritte Wicklung einen Fehler aufweist. Damit kann ein möglicher Fehler auf die zweite Wicklung und/oder die dritte Wicklung eingeschränkt werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf: Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einerseits dem zweiten Eingangsanschluss der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators und andererseits den Eingangspotentialen des Umrichters; Versorgen des ersten Eingangsanschlusses der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem ersten Ausgangspotential des Umrichters; Messen einer am zweiten Eingangsanschluss gegen ein Referenzpotential anliegenden zweiten Spannung; Vergleichen der zweiten gemessenen Spannung mit einer zweiten erwarteten Spannung, wobei insbesondere die zweite erwartete Spannung bei Drehzahl Null der Drehfeldmaschine proportional zu einem Verhältnis von Scheinwiderständen einer ersten Wicklung, die mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden ist, und der dritten Wicklung ist.
Hierbei wird somit nun der zweite Brückenzweig geöffnet, während die zu den übrigen Brückenzweigen geführten Eingangsanschlüsse weiterhin mit Wechselspannung versorgt werden. Damit können die Eigenschaften der ersten und/oder der dritten Wicklung überwacht werden. Damit ist eine genauere Identifizierung eines möglicherweise fehlerhaften Strangs bzw. einer fehlerhaften Wicklung ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren ferner auf: Erzeugen, falls die erste gemessene Spannung nicht der ersten erwarteten Spannung gleicht und falls die zweite gemessene Spannung der zweiten erwarteten Spannung gleicht, eines Fehlersignals, welches anzeigt, dass die zweite Wicklung einen Fehler aufweist. Damit kann eine Ursache eines Fehlers weiter eingeschränkt bzw. identifiziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren, insbesondere falls die zweite gemessene Spannung nicht der zweiten erwarteten Spannung gleicht, ferner auf: Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einerseits dem dritten Eingangsanschluss der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators und andererseits den Eingangspotentialen des Umrichters; Versorgen des zweiten Eingangsanschlusses der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit dem zweiten Ausgangspotential des Umrichters; Messen einer am dritten Eingangsanschluss gegen ein Referenzpotential anliegenden dritten Spannung; Vergleichen der dritten gemessenen Spannung mit einer dritten erwarteten Spannung.
Falls die dritte Spannung einer dritten erwarteten Spannung gleicht, kann daraus geschlossen werden, dass die erste Wicklung und die zweite Wicklung fehlerfrei sind bzw. erwartungsgemäß funktionieren.
Durch Ausführen einer Mehrzahl von Messungen, wobei entweder der erste, der zweite oder der dritte Brückenzweig geöffnet ist, während die übrigen Brückenzweige die zugeordneten Eingangsanschlüsse des Stators mit Wechselspannung versorgen, kann insbesondere eine oder mehrere fehlerhafte Wicklungen identifiziert werden und eine oder mehrere fehlerfrei arbeitende Wicklungen identifiziert werden. Damit kann eine genauere Charakterisierung des Stators durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind das erste und/oder das zweite und/oder das dritte Ausgangspotential ungleich dem Erdpotential. Damit werden jeweils diejenigen Eingangsanschlüsse des Stators mit Wechselspannung versorgt, deren zugeordneter Brückenzweig nicht geöffnet ist, um die Wicklungen, die an den nicht geöffneten Brückenzweigen angeschlossen sind, mit Eingangssignalen zum Erzeugen eines Magnetfelds versorgt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren durchgeführt, wobei der Umrichter die Eingangsgleichspannung durch Pulsweitenmodulation eines ersten, eines zweiten und eines dritten Paares von Leistungstransistoren, die jeweils zwischen der Eingangsgleichspannung angeordnet sind, in Wechselspannung gewünschter Frequenz wandelt, die in verschiedenen Phasen als erstes, zweites und drittes Ausgangspotential des Umrichters ausgegeben wird, das jeweils zwischen Transistoren des ersten, des zweiten und des dritten Paares von Leistungstransistoren abgegriffen wird.
Die Transistoren können dabei typischerweise oder beispielsweise IGBTs (IGBT = isolated gate bipolar transistor); FETs oder andere Leistungstransistoren sein. Der Umrichter kann dabei z. B. eine Gatetreiberschaltung umfassen, welche Pulsweitenmodulationssignale an die Gates der Transistoren führt. Insbesondere kann der Wechselrichter sechs Transistoren aufweisen, welche paarweise jeweils eine Ausgangsphase erzeugen. Damit kann das Verfahren unter Zuhilfenahme von konventionellen Komponenten durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren durchgeführt, wobei das Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen einerseits dem ersten, zweiten bzw. dritten Eingangsanschluss und andererseits den Eingangspotentialen jeweils zu Unterbrechungszeitbereichen erfolgt, die mit Nullspannungszeitbereichen überlappen, in denen das gemäß normaler Pulsweitenmodulation von dem Umrichter ausgegebene erste, zweite bzw. dritte Ausgangspotential dem Erdpotential gleicht oder ein geringer Stromfluss in dem jeweiligen Eingangsanschluss erfolgt.
Durch diese Maßnahmen kann eine Störung des Betriebs der Drehfeldmaschine gemäß normaler Pulsweitenmodulation gering gehalten werden, um somit einen Normalbetrieb der Drehfeldmaschine auch während der Diagnose weiterhin zu ermöglichen. Damit kann das Verfahren auch während eines normalen Betriebs der Drehfeldmaschine durchgeführt werden, indem jeweils nur für relativ kurze Zeitintervalle oder Zeitbereiche einer der Brückenzweige geöffnet wird, während die anderen Brückenzweige gemäß der normalen Pulsweitenmodulation weiter betrieben werden und die entsprechenden Eingangsanschlüsse des Stators mit Wechselspannung versorgen, sodass der Rotor während des Verfahrens rotiert.
Es sollte bemerkt werden, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination im Zusammenhang mit einem Verfahren zum Charakterisieren eines Stators einer Drehfeldmaschine beschrieben, angewendet oder erwähnt worden sind, ebenso für eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Stators einer Drehfeldmaschine individuell oder in irgendeiner Kombination eingesetzt bzw. bereitgestellt werden können und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Stators einer Drehfeldmaschine, welcher eine Mehrzahl von Eingangsanschlüssen für eine entsprechende Mehrzahl von Wicklungen aufweist, wobei die Vorrichtung aufweist: ein Schaltsystem, welches ausgebildet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen einerseits einem ersten Eingangsanschluss der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators und andererseits Eingangspotentialen eines Umrichters, zwischen denen eine Eingangsgleichspannung anliegt, zu unterbrechen, einen zweiten Eingangsanschluss der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem zweiten Ausgangspotential des Umrichters zu versorgen, und einen dritten Eingangsanschluss der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem dritten Ausgangspotential des Umrichters zu versorgen; ein Messsystem, welches ausgebildet ist, eine am ersten Eingangsanschluss gegen ein Referenzpotential anliegende erste Spannung zu messen; und ein Verarbeitungssystem, welches ausgebildet ist, die erste gemessene Spannung mit einer ersten erwarteten Spannung zu vergleichen und den Stator basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens zu charakterisieren.
Die elektrische Verbindung zwischen einerseits dem ersten Eingangsanschluss der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators und andererseits Eingangspotentialen des Umrichters kann auf mehrerlei Weisen unterbrochen werden. Beispielsweise können zwei Transistoren, welche in diesem Brückenzweig zwischen der Eingangsgleichspannung des Umrichters verbunden sind, geöffnet werden, um diese Verbindung zu unterbrechen. Alternativ kann an dem Ausgang bzw. vor dem Ausgang des Umrichters ein zusätzlicher Schalter vorgesehen sein, welcher die Verbindung unterbricht. Der erste Fall der Unterbrechungsmöglichkeiten kann beispielsweise durch entsprechende Ansteuerung der Transistoren des Umrichters erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt ein Computerprogrammprodukt, insbesondere auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert, welches ausgebildet ist, wenn von einem Prozessor ausgeführt, ein Verfahren nach einem der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen auszuführen oder zu steuern.
Die Erfindung wird nun anhand der angehängten Zeichnungen erläutert, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die beschriebenen oder illustrierten Ausführungsformen beschränkt ist.
Beispielhafte Ausführungsbeispiele werden nun in Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Dabei wird vorab darauf hingewiesen, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind und dass, um gewisse Merkmale oder Eigenschaften hervorzuheben, bestimmte Komponenten durch Verwendung einer anderen Strichstärke oder Schraffur künstlich hervorgehoben sein können.
Es wird explizit darauf hingewiesen, dass weitere Ausführungsbeispiele durch die in den nachfolgenden Figuren gezeigten speziellen Implementierungen nicht eingeschränkt werden sollen. Insbesondere soll die Tatsache, dass bestimmte Funktionalitäten in den folgenden Figuren bezüglich spezieller Entitäten, spezifischer Funktionsblöcke oder spezifischer Vorrichtungen beschrieben werden, nicht so ausgelegt werden, dass diese Funktionalitäten in weiteren Ausführungsbeispielen auf dieselbe Art und Weise verteilt sein sollen oder gar müssen. In weiteren Ausführungsbeispielen mögen bestimmte, nachfolgend getrennten Bauteilen oder Einheiten zugeordnete Funktionalitäten in einem einzigen Bauteil bzw. in einem einzigen funktionalen Element zusammengefasst sein oder hierin als in einem einzigen Element vereinte Funktionalitäten können in getrennten funktionalen Einheiten oder durch mehrere separate Bauteile ausgeführt werden.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein spezielles Element oder Bauteil als mit einem anderen Element verbunden, mit diesem gekoppelt oder an dieses angebunden bezeichnet wird, damit nicht notwendigerweise gemeint ist, dass dieses unmittelbar und direkt mit dem anderen Bauteil verbunden, gekoppelt oder an dieses angebunden sein soll. Sofern dies gemeint ist, wird darauf explizit hingewiesen, indem beschrieben ist, dass das Element mit dem weiteren Element direkt verbunden, direkt gekoppelt oder direkt an dieses angebunden ist. Dies bedeutet, dass keine dazwischenliegenden, eine indirekte Kopplung bzw. Verbindung oder Anbindung vermittelnde weiteren Elemente vorhanden sind. Darüber hinaus bezeichnen in den nachfolgenden Figuren identische Bezugszeichen identische, funktionsidentische oder funktionsähnliche Komponenten, die also zwischen den unterschiedlichen nachfolgend beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispielen einander substituierend ausgetauscht werden können. Daher kann auch zur detaillierten Beschreibung eines solchen Bauteils, das in einer Figur dargestellt ist, auf die Beschreibung des dazu korrespondierenden Bauteils bzw. Bauelements in einer anderen Figur zurückgegriffen werden.
1 zeigt eine Drehfeldmaschine, einen Umrichter und eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Stators der Drehfeldmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Form; und
2 illustriert ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Charakterisieren eines Stators einer Drehfeldmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 illustriert schematisch eine Drehfeldmaschine 1, einen Umrichter 3 und eine Vorrichtung 5 zum Charakterisieren eines Stators der Drehfeldmaschine 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Drehfeldmaschine 1 weist einen Stator 7 mit einer ersten Wicklung 9, einer zweiten Wicklung 11 und einer dritten Wicklung 13 auf, welche an einem Sternpunkt 15 in Sternschaltung miteinander verbunden sind. Das andere Ende der ersten Wicklung 9 bildet einen ersten Eingangsanschluss 17 des Stators 7, welcher erste Eingangsanschluss 17 mit einem ersten Ausgangsanschluss 19 des Umrichters 3 verbunden ist. Das andere Ende der zweiten Wicklung 11 ist mit einem zweiten Eingangsanschluss 21 des Stators 7 verbunden, welcher wiederum mit einem zweiten Ausgangsanschluss 23 des Umrichters 3 verbunden ist. Ein anderes Ende der dritten Wicklung 13 ist mit einem dritten Eingangsanschluss 25 des Stators verbunden, welcher wiederum mit einem dritten Ausgangsanschluss 27 des Umrichters 3 verbunden ist.
Der erste Ausgangsanschluss 19, der zweite Ausgangsanschluss 23 und der dritte Ausgangsanschluss 27 des Umrichters sind jeweils mit einem ersten Brückenzweig 28, einem zweiten Brückenzweig 29 und einem dritten Brückenzweig 31 des Umrichters verbunden. Dabei ist der erste Brückenzweig 28 durch zwei Leistungstransistoren 33 gebildet, welche zwischen zwei Eingangspotentialen 35 und 37 des Umrichters 3 verbunden sind und welche mittels Steuerleitungen 39 von einem Schaltsystem 41 mit Steuersignalen zum Schalten der Transistoren 33 versorgt werden. Zwischen den Eingangspotentialen 35 und 37 des Umrichters 3 liegt eine Eingangsgleichspannung Uzk an, welche insbesondere durch einen Kondensator 42 weiter geglättet wird. Der erste Ausgangsanschluss 19 des Umrichters 3 ist zwischen den beiden Transistoren 33 des ersten Brückenzweiges 28 abgegriffen und in der Figur durch das Bezugszeichen U gekennzeichnet.
Analog zum ersten Brückenzweig 28 ist der zweite Brückenzweig 29 durch Transistoren 43 gebildet, welche zwischen den Eingangspotentialen 35 und 37 geschaltet sind, wobei der zweite Ausgangsanschluss 23 zwischen den Transistoren 43 abgegriffen wird. Analog ist der dritte Brückenzweig 31 durch Transistoren 45 gebildet, welche ebenfalls zwischen den Eingangspotentialen 35, 37 des Umrichters geschaltet sind.
Das Schaltsystem 41, welches in der Vorrichtung 5 zum Charakterisieren des Stators 7 umfasst sein kann, ist ausgebildet, um eine elektrische Verbindung zwischen einerseits dem ersten Eingangsanschluss 17 des Stators 7 und andererseits den Eingangspotentialen 35, 37 des Umrichters 3 zu unterbrechen, den zweiten Eingangsanschluss 21 mit einem zweiten Ausgangspotential, welches an dem Punkt V zwischen den Transistoren 43 anliegt, zu versorgen und den dritten Eingangsanschluss 25 mit einem dritten Ausgangspotential, W, welches zwischen den beiden Transistoren 45 des dritten Brückenzweiges 31 anliegt, zu versorgen. Aufgrund der Ansteuerung der Eingangsanschlüsse mittels Pulsweitenmodulation, also das getaktete Anlegen der Eingangspotentiale an die Eingangsanschlüsse ergeben sich im Normalbetrieb in einer idealisierten Betrachtungsweise am Sternpunkt nur diskrete Spannungswerte, insbesondere 0 Volt, Uzk, 1/3 Uzk oder 2/3 Uzk. Bei einem geöffneten Brückenzweig ergeben können sich die Werte 0 Volt, Uzk und 1/2 Uzk ergeben.
Ferner weist die Vorrichtung 5 zum Charakterisieren des Stators 7 ein Messsystem 47 auf, welches ausgebildet ist, eine am ersten Eingangsanschluss 17 gegen ein Referenzpotential anliegende erste Spannung über eine Messleitung 49 zu messen. Ferner weist die Vorrichtung 5 ein Verarbeitungssystem 51 auf, welches ausgebildet ist, die erste gemessene Spannung mit einer ersten erwarteten Spannung zu vergleichen und den Stator 7 basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens zu charakterisieren.
Die Vorrichtung 5 ist weiterhin ausgebildet (neben Öffnen des ersten Brückenzweiges 28 und Versorgen der übrigen Eingangsanschlüsse 21 und 25 des Stators 7 mit Wechselspannung), gleichzeitig oder alternativ den zweiten Brückenzweig 29 und/oder den dritten Brückenzweig 31 zu öffnen und gleichzeitig die diesen Brückenzweigen jeweils nicht zugeordneten Eingangsanschlüsse des Stators 7 mit Wechselspannung zu versorgen. Dabei wird der jeweilige Brückenzweig 28, 29, 31 vorzugsweise dann geöffnet, wenn (gemäß Pulsweitenmodulation im Normalbetrieb) an dem entsprechenden Ausgangsanschluss 19, 23, 27 oder ein Potential von 0 V oder ein geringes Potential bzw. in einem vorbestimmten Toleranzbereich um 0 Volt anliegt oder ein geringer Stromfluss vorliegt. Eine sich dann an dem Eingangsanschluss des Stators 7, welche dem geöffneten Brückenzweig entspricht, einstellende Spannung kann dann insbesondere gegen (oder relativ zu oder bezogen auf) die Zwischenkreisspannung Uzk gemessen werden, um deren Schwankungen zu eliminieren. Nach der Messung kann das Schaltsystem 41 auf eine herkömmliche oder normale Pulsmodulationsmethode zurückkehren.
Um den richtigen Zeitpunkt zum Unterbrechen der Verbindung zwischen einem Eingangsanschluss 17, 21, 25 mit dem Eingangspotential 35, 37 des Umrichters zu bestimmen, berücksichtigt das Schaltsystem 41 die Schaltzeiten der normalen Pulsmodulation und optional ein Strommesssignal, welches von einem ebenfalls optionalen Stromsensor 52 gemessen wird und über eine Messleitung 53 dem Messsystem 47 zugeführt wird. Auch kann als ein optionales Merkmal das Messsystem 47 ein Rotorpositionssignal über eine Messleitung 55 von einem Rotorpositionserfassungssystem 57 erhalten, um eine weitere Verarbeitung zu ermöglichen. Die Messsignale können von dem Messsystem 47 aufbereitet werden und über eine Signalleitung 59 dem Verarbeitungssystem 51 zugeführt werden, um eine erste gemessene Spannung (bei geöffnetem ersten Brückenzweig 28), eine zweite gemessene Spannung (bei geöffnetem zweiten Brückenzweig 29) und/oder eine dritte gemessene Spannung (bei geöffnetem dritten Brückenzweig 31) mit entsprechenden erwarteten Spannungen zu vergleichen und basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens den Stator 7 zu charakterisieren.
Bei Drehzahl 0 der Drehfeldmaschine 1 korrespondiert die jeweils gemessene Spannung zu dem Verhältnis der Scheinwiderstände der noch modulierten Stränge bzw. Wicklungen, d. h. derjenigen Wicklungen, deren zugehöriger Brückenzweig nicht geöffnet ist. Im Falle einer Asymmetrie wegen eines Ausfalls, Fehlers bzw. einer Schädigung einer Wicklung kann die betroffene Wicklung durch eine oder mehrere Messungen mit jeweils geöffnetem Brückenzweig identifiziert werden und es können entsprechende Gegenmaßnahmen oder Schutzmaßnahmen ergriffen oder eingeleitet werden, beispielsweise Trennen aller Wicklungen von der Eingangsgleichspannung, Reduzieren von Erregungsströmen durch alle Wicklungen oder ähnliches. Die Messung der Spannungen an den Eingangsanschlüssen 17, 21 oder 25 können auch bei rotierendem Rotor der Drehfeldmaschine 1 durchgeführt werden, wenn etwaig induzierte Spannungen oder Stromflüsse zur Charakterisierung oder für die Diagnose berücksichtigt bzw. beispielsweise basierend auf einem Modell der Maschine herausgerechnet werden. Zur Bestimmung der Drehzahl kann dabei z. B. die Rotorpositionserfassung 57 herangezogen werden, wobei diese Maßnahme optional ist.
Das Verfahren kann auch mit dem so genannten Virtu-Hall-Verfahren kombiniert werden, welches über die direkt gemessene Sternpunktspannung den Winkel des Rotorfelds ermittelt, wenn dieser wegen eines Sättigungseffekts den Scheinwiderstand ändert. Mindestens im Stillstand der Drehfeldmaschine 1 könnte damit ein Startwinkel ermittelt werden, der z. B. zur Plausibilisierung des gemessenen Rotorwinkelsignals verwendet werden kann.
Die Drehfeldmaschine 1 kann Wicklungen in dem Stator aufweisen, welche im Stern geschaltet sind oder im Dreieck geschaltet sind. Beide Arten von Stator in einer Drehfeldmaschine sind durch das erfindungsgemäße Verfahren diagnostizierbar bzw. charakterisierbar.
2 illustriert ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Charakterisieren eines Stators einer Drehfeldmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches beispielsweise durch die Vorrichtung 5, welche in 1 illustriert ist, ausgeführt werden kann.
In einem Schritt 61 wird eine elektrische Verbindung zwischen einerseits dem ersten Eingangsanschluss 17 des Stators 7 und andererseits den Eingangspotentialen 35, 37 des Umrichters 3 unterbrochen. In dem Verfahrensschritt 63 wird der zweite Eingangsanschluss 21 des Stators 7 mit einem zweiten Ausgangspotential V des Umrichters 3 versorgt. In einem Verfahrensschritt 65 wird der dritte Eingangsanschluss 25 des Stators 7 mit einem dritten Ausgangspotential W des Umrichters 3 versorgt. In dem Verfahrensschritt 67 wird eine am ersten Eingangsanschluss 17 gegen ein Referenzpotential anliegende erste Spannung gemessen. Im Verfahrensschritt 69 wird die erste gemessene Spannung mit einer ersten erwarteten Spannung verglichen. Schließlich wird in dem Verfahrensschritt 71 der Stator 7 basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens charakterisiert. Die Verfahrensschritte können nacheinander (insbesondere in beliebiger Reihenfolge) oder zumindest teilweise gleichzeitig erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Drehfeldmaschine
3: Umrichter
5: Vorrichtung zum Charakterisieren eines Stators
7: Stator
9, 11, 13: erste, zweite, dritte Wicklung
15: Sternpunkt
17, 21, 25: erster, zweiter, dritter Eingangsanschluss des Stators
19, 23, 27: erster, zweiter, dritter Ausgangsanschluss des Umrichters
28, 29, 31: erster, zweiter, dritter Brückenzweig
33, 43, 45: Transistoren
35, 37: Eingangspotentiale des Umrichters
U_ZK: Zwischenkreisspannung oder Eingangsgleichspannung
39: Steuerleitungen
41: Schaltsystem
42: Kondensator
47: Messsystem
49: Messleitungen
51: Verarbeitungssystem
52: Stromsensor
53, 55: Messleitungen
57: Rotorpositionserfassungssystem
59: Signalleitung
61, 63, 65, 67, 69, 71: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008042390 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Charakterisieren eines Stators (7) einer Drehfeldmaschine (1), welcher eine Mehrzahl von Eingangsanschlüssen (17, 21, 25) für eine entsprechende Mehrzahl von Wicklungen (9, 11, 13) aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Unterbrechen (61) einer elektrischen Verbindung zwischen einerseits einem ersten Eingangsanschluss (17) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators (7) und andererseits Eingangspotentialen (35, 37) eines Umrichters (3), zwischen denen eine Eingangsgleichspannung (Uzk) anliegt; Versorgen (63) eines zweiten Eingangsanschlusses (21) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem zweiten Ausgangspotential (V) des Umrichters; Versorgen (65) eines dritten Eingangsanschlusses (25) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem dritten Ausgangspotential (W) des Umrichters; Messen (67) einer am ersten Eingangsanschluss gegen ein Referenzpotential anliegenden ersten Spannung; Vergleichen (69) der ersten gemessenen Spannung mit einer ersten erwarteten Spannung; und Charakterisieren (71) des Stators (7) basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die erste erwartete Spannung von der Eingangsgleichspannung (Uzk) abhängt, insbesondere proportional dazu ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei, bei Drehzahl Null der Drehfeldmaschine, die erste erwartete Spannung proportional zu einem Verhältnis von Scheinwiderständen einer zweiten Wicklung (11), die mit dem zweiten Eingangsanschluss (21) verbunden ist, und einer dritten Wicklung (13) ist, die mit dem dritten Eingangsanschluss (25) verbunden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei bei Drehzahl ungleich Null der Drehfeldmaschine die erste erwartete Spannung ferner von in der Wicklung (9), in der zweiten Wicklung (11) und in der dritten Wicklung (13) induzierten Spannungen und/oder Stromflüssen dahindurch abhängt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Erzeugen, falls die erste gemessene Spannung nicht der ersten erwarteten Spannung gleicht, eines Fehlersignals, welches anzeigt, dass die zweite Wicklung und/oder die dritte Wicklung einen Fehler aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiter aufweist: Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einerseits dem zweiten Eingangsanschluss (21) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators und andererseits den Eingangspotentialen (35, 37) des Umrichters; Versorgen des ersten Eingangsanschlusses (17) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem ersten Ausgangspotential (U) des Umrichters; Messen einer am zweiten Eingangsanschluss (21) gegen ein Referenzpotential anliegenden zweiten Spannung; und Vergleichen der zweiten gemessenen Spannung mit einer zweiten erwarteten Spannung, wobei insbesondere die zweite erwartete Spannung bei Drehzahl Null der Drehfeldmaschine proportional zu einem Verhältnis von Scheinwiderständen einer ersten Wicklung, die mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden ist, und der dritten Wicklung ist.
Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend, Erzeugen, falls die erste gemessene Spannung nicht der ersten erwarteten Spannung gleicht und falls die zweite gemessene Spannung der zweiten erwarteten Spannung gleicht, eines Fehlersignals, welches anzeigt, dass die zweite Wicklung einen Fehler aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei das Verfahren, insbesondere falls die zweite gemessene Spannung nicht der zweiten erwarteten Spannung gleicht, ferner aufweist: Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen einerseits dem dritten Eingangsanschluss (25) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators und andererseits den Eingangspotentialen (35, 37) des Umrichters; Versorgen des zweiten Eingangsanschlusses (21) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit dem zweiten Ausgangspotential (V) des Umrichters; Messen einer am dritten Eingangsanschluss (25) gegen ein Referenzpotential anliegenden dritten Spannung; Vergleichen der dritten gemessenen Spannung mit einer dritten erwarteten Spannung.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Bestimmen einer Rotorposition der Drehfeldmaschine, wobei die bestimmte Rotorposition zum Charakterisieren herangezogen wird, insbesondere um induzierte Spannungen zu bestimmen.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste (U) und/oder das zweite (V) und/oder das dritte Ausgangspotential (W) ungleich dem Erdpotential ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste, die zweite und die dritte Wicklung in Sternschaltung oder in Dreiecksschaltung verbunden sind.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Umrichter die Eingangsgleichspannung durch Pulsweitenmodulation eines ersten (33), eines zweiten (43) und eines dritten Paares von Leistungstransistoren (45), die jeweils zwischen der Eingangsgleichspannung (Uzk) angeordnet sind, in Wechselspannung gewünschter Frequenz wandelt, die in verschiedenen Phasen als erstes (U), zweites (V) und drittes Ausgangspotential (W) des Umrichters (3) ausgegeben wird, das jeweils zwischen Transistoren des ersten (33), des zweiten (43) und des dritten Paares von Leistungstransistoren (45) abgegriffen wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen einerseits dem ersten (17), zweiten (21) bzw. dritten Eingangsanschluss (25) und andererseits den Eingangspotentialen (35, 37) jeweils zu Unterbrechungszeitbereichen erfolgt, die mit Nullspannungszeitbereichen überlappen, in denen das gemäß normaler Pulsweitenmodulation von dem Umrichter ausgegebene erste, zweite bzw. dritte Ausgangspotential dem Erdpotential gleicht oder ein geringer Stromfluss in dem jeweiligen Eingangsanschluss erfolgt.
Vorrichtung (5) zum Charakterisieren eines Stators (7) einer Drehfeldmaschine (1), welcher eine Mehrzahl von Eingangsanschlüssen (17, 21, 25) für eine entsprechende Mehrzahl von Wicklungen (9, 11, 13) aufweist, wobei die Vorrichtung aufweist: ein Schaltsystem (41), welches ausgebildet ist, um eine elektrische Verbindung zwischen einerseits einem ersten Eingangsanschluss (17) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen des Stators und andererseits Eingangspotentialen (35, 37) eines Umrichters (3), zwischen denen eine Eingangsgleichspannung (Uzk) anliegt, zu unterbrechen, einen zweiten Eingangsanschluss (21) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem zweiten Ausgangspotential (V) des Umrichters zu versorgen, und einen dritten Eingangsanschluss (25) der Mehrzahl von Eingangsanschlüssen mit einem dritten Ausgangspotential (W) des Umrichters zu versorgen; ein Messsystem (47), welches ausgebildet ist, eine am ersten Eingangsanschluss (17) gegen ein Referenzpotential anliegende erste Spannung zu messen; und ein Verarbeitungssystem (51), welches ausgebildet ist, die erste gemessene Spannung mit einer ersten erwarteten Spannung zu vergleichen und den Stator basierend auf einem Ergebnis des Vergleichens zu charakterisieren.
Computerprogrammprodukt, insbesondere auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert, welches ausgebildet ist, wenn von einem Prozessor ausgeführt, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen oder zu steuern.