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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Drehzahl in einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit, insbesondere einen Generatorregler, und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge verfügen über ein Bordnetz, das über eine als Generator betriebene elektrische Maschine, bspw. eine fremderregte Synchronmaschine, mit Spannung versorgt wird. Zur Regelung der Bordnetzspannung kann dabei ein Erregerstrom der elektrischen Maschine gesteuert werden. Die elektrische Maschine ist dabei in der Regel über einen Gleichrichter an das Bordnetz angeschlossen und bildet mit diesem eine Generatoreinheit. Bei solchen Generatoreinheiten können Fehler wie bspw. Kurzschlüsse auftreten, die nach Möglichkeit erkannt werden sollten.
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Aus der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2015 211 933 ist ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit, welche eine elektrische Maschine) mit Läuferwicklung und Ständerwicklung und einen daran angeschlossenen Gleichrichter, über den die elektrische Maschine an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, aufweist, bekannt, wobei über einen Erregerstrom durch die Läuferwicklung der elektrischen Maschine eine Spannung des Bordnetzes auf einen Sollwert geregelt und ein Verlauf des Erregerstroms überwacht wird, und wobei auf einen Fehler in der Generatoreinheit geschlossen wird, wenn ein oszillierender Verlauf des Erregerstroms erkannt wird, wobei ein Ausmaß der Oszillation über einem Schwellwert liegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen einer Drehzahl einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Zugrunde liegt die Erkenntnis, dass einem durch eine Läuferwicklung einer Generatoreinheit fließenden Erregerstrom durch die magnetische Kopplung des Läufers mit einem Ständer der Generatoreinheit eine Oszillation aufgeprägt wird, aus der sich die Drehzahl nG der Generatoreinheit, also die Drehzahl, mit der der Läufer im Ständer rotiert, ermitteln lässt. Unter einer Generatoreinheit kann hierbei insbesondere jede generatorisch betreibbare elektrische Maschine verstanden werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl abhängig von einer Analyse eines Frequenzspektrums des Verlaufs des Erregerstroms oder abhängig von einer Flankenerkennung im Verlauf des Erregerstroms erkannt wird.
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In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl dann, insbesondere nur dann, abhängig vom Verlauf des Erregerstroms ermittelt wird, wenn ein Fehler in der Generatoreinheit vorliegt. Der Begriff „Fehler“ kann hierbei so breit gefasst verstanden werden, dass er Abweichungen vom Normalbetrieb umfasst. Insbesondere kann auch ein Betrieb einer mit aktiven Gleichrichterelementen ausgebildeten Generatoreinheit während eines sogenannten Load-Dump-Betriebs, in dem durch Ansteuerung aktiver Gleichrichterelemente im Gleichrichter eine Überspannung im Bordnetz abgebaut wird, als „Fehler“ verstanden werden. Es wurde erkannt, dass sich die Drehzahl der Generatoreinheit in einem Fehlerfall besonders leicht aus dem Erregerstrom ermitteln lässt.
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Insbesondere kann hier vorgesehen sein dass dann, wenn kein Fehler in der Generatoreinheit vorliegt, die Drehzahl abhängig von einem Verlauf einer Phasenspannung ermittelt wird. Auch eine Ermittlung abhängig von einem Verlauf einer Abgabespannung der Generatoreinheit, die zwischen einen High-Side-Anschluss der Generatoreinheit und einem Low-Side-Anschluss der Generatoreinheit anliegt, ist möglich.
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In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass dann, wenn die Phasenspannung auf einen konstanten Wert fixiert ist, die Drehzahl abhängig vom Verlauf des Erregerstroms ermittelt wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass dann, wenn die Phasenspannung einen konstanten Wert annimmt, entweder ein Kurzschluss des High-Side- oder Low-Side-Pfads der mit dem Regler verbundenen Phase vorliegt, oder dass eine Leitung, die das Signal der Phasenspannung an den Regler überträgt, defekt ist. Im ersten Fall liegt die Phasenspannung konstant auf dem Niveau des High-Side-Anschlusses, im zweiten Fall konstant auf dem Niveau des Low-Side-Anschlusses, im dritten Fall abhängig von der Beschaltung im Regler auf einem konstanten Niveau, welches nicht kleiner ist als der kleinere dieser beiden Spannungswerte und nicht größer ist als der größere dieser beiden Spannungswerte. Das Wort „fixiert“ kann hier bedeuten, dass eine Zeitdauer, während der die Phasenspannung den konstanten Wert annimmt gegenüber einer Zeitdauer, während der die Phasenspannung im Normalbetrieb bei gleicher Drehzahl den konstanten Wert annimmt, verlängert ist. Auch in diesen Fällen ist die Ermittlung der Drehzahl besonders einfach.
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In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl abhängig vom konstanten Wert der Phasenspannung oder abhängig von der Höhe der Schwingungsamplitude des Erregerstroms bestimmt wird. Es wurde nämlich erkannt, dass in den oben beschriebenen Fehlerbildern die Drehzahl der Generatoreinheit ein unterschiedliches Signal auf den Erregerstrom aufprägt.
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Insbesondere kann die Drehzahl als nG = f/PPZ aus einer Frequenz f des Erregerstroms ermittelt werden, wenn die Phasenspannung auf einem High-Side-Spannungsniveau oder auf einem Low-Side-Spannungsniveau des Bordnetzes liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Drehzahl als nG = f/(PPZ·AP·2) aus der Frequenz f des Erregerstroms ermittelt werden, wenn die Phasenspannung zwischen einem High-Side-Spannungsniveau und einem Low-Side-Spannungsniveau des Bordnetzes liegt (dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Beschaltung des Phasenanschlusses im Regler nicht zu Masse- oder B+ Potential in diesem Fall führt). PPZ bezeichnet dabei eine Polpaarzahl des Generators, AP die Anzahl der Phasen des Generators.
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In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass ein Start der Generatoreinheit eingeleitet wird, wenn erkannt wird, dass eine abhängig von der Frequenz des Erregerstroms ermittelte Drehzahl oberhalb einer Drehzahlschwelle liegt. Die Drehzahl der Generatoreinheit kann beim Starten einer Brennkraftmaschine, mit der die Generatoreinheit gekoppelt ist, dazu benutzt werden, um einen Start der Generatoreinheit auszulösen.
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Des Weiteren kann eine Notstart-Drehzahl nNot vorgesehen sein. Wird ermittelt, dass die Drehzahl nG des Generators größer ist als die Notstart-Drehzahl nNot, und wurde die Generatoreinheit noch nicht gestartet, wird die Generatoreinheit dann in einem abgesicherten Betrieb gestartet.
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Hier kann nun vorgesehen sein, dass die Generatoreinheit in dem abgesicherten Betrieb gestartet wird, wenn eine Oszillation des Erregerstroms größer ist als ein Schwellwert und zusätzlich die Frequenz f des Erregerstroms oberhalb einer entsprechenden Frequenz fNot der Notstart-Drehzahl nNot liegt, wobei fnot = nNot·PPZ.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Generatoreinheit in einem normalen Betrieb gestartet wird, wenn eine Oszillation des Erregerstroms kleiner ist als ein Schwellwert und zusätzlich die Frequenz des Erregerstroms oberhalb einer entsprechenden Frequenz der Notstart-Drehzahl fnot = nG·(PPZ·AP·2) liegt.
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Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Falle eines Fehlers im Gleichrichter, insbesondere bei einem Kurzschluss einer Phase, deren Phasenspannung ermittelt wird, (wie in 2 bzw. 3 illustriert) der Erregerstrom eine Schwingung mit großer Amplitude durchführt und mit der Frequenz der Generatoreinheit schwingt, während in dem Fall, dass die Signalleitung, welche die ermittelte Phasenspannung an den Generatorregler übermittelt, defekt ist, der Erregerstrom eine Schwingung mit kleinerer Amplitude durchführt, und mit einer Frequenz schwingt, welche der Frequenz der Generatoreinheit multipliziert mit der doppelten Anzahl der Phasen des Generators entspricht.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, insbesondere ein Generatorregler, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine Generatoreinheit mit elektrischer Maschine, Gleichrichter und Generatorregler, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
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2 und 3 zeigen die Generatoreinheit aus 1 mit verschiedenen Fehlern im Gleichrichter.
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4 und 5 zeigen in Diagrammen Spannungs- und Stromverläufe zu den in den 2 und 3 gezeigten Fehlern.
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6 zeit die Generatoreinheit aus 1 mit einem Fehler in der Signalleitung zur Übertragung der Phasenspannung
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch Generatoreinheit aufweisend eine elektrische Maschine 100 mit einem Gleichrichter 130 und einer als Generatorregler ausgebildeten Recheneinheit 140, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist, gezeigt. Die elektrische Maschine 100 weist eine Läufer- bzw. Erregerwicklung 110 und eine Ständerwicklung 120 auf und wird vorliegend als Generator zur Spannungsversorgung für ein Bordnetz 150 eines Kraftfahrzeuges verwendet.
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Die elektrische Maschine 100 und somit deren Ständerwicklung 120 ist vorliegend mit fünf Phasen U, V, W, X und Y ausgebildet. Jede der fünf Phasen ist dabei über eine zugehörige Diode 131 des Gleichrichters 130 an eine positive Seite bzw. High-Side B+ des Bordnetzes 150 und über eine zugehörige Diode 132 an eine negative Seite bzw. Low-Side B– des Bordnetzes 150 angebunden. Es versteht sich, dass die Anzahl fünf der Phasen vorliegend nur beispielhaft gewählt ist und dass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch mit einer anderen Phasenanzahl, bspw. 3, 6, 7 oder mehr durchführbar ist. Ebenso ist es möglich, anstelle der Dioden geeignete Halbleiterschalter zu verwenden.
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Der Generatorregler 140 versorgt die Läuferwicklung 110 mit einem Erregerstrom IE. Hierzu kann im Generatorregler 140 ein Schalter vorgesehen sein, der mit der Läuferwicklung 110 in Reihe geschaltet ist, und der den Erregerstrom IE beispielsweise durch eine getaktete Ansteuerung einstellt. Weiterhin weist der Generatorregler 140 Eingänge zum Erfassen der Bordnetzspannung mit B+ und B– sowie einer Phasenspannung, vorliegend der Phase Y, mit Spannung UY auf. Die Phasenspannung UY wird über eine Kommunikationsleitung 160 an den Generatorregler 140 übertragen. Ein von der elektrischen Maschine 100 abgegebener Strom ist mit IG bezeichnet. Aus einer Frequenz fY der Phasenspannung UY lässt sich die Drehzahl nG ermitteln, mit der die Läuferwicklung 110 der elektrischen Maschine rotiert. Es gilt der Zusammenhang fY = nG·PPZ, wobei PPZ eine Polpaarzahl des Generators ist. Eine solche Erkennung der Drehzahl nG kann z.B. über eine Flankenerkennung im Signalverlauf der Phasenspannung UY im Generatorregler 140 geschehen.
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Auch der Erregerstrom IE verfügt über eine Frequenzkomponente f mit der Frequenz f = nG·PPZ (im Fehlerfall I), bzw. f = nG·(PPZ·2) (im Fehlerfall II), bzw. f = nG·(PPZ·AP·2) (im Normalbetrieb und bei Fehler III).
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Im Fehlerfall I liegt ein einfacher Kurzschluss vor, d.h. nur im High-Side-Pfad oder nur im Low-Side-Pfad einer Phase liegt ein Kurzschluss vor. In diesem Fall verfügt die Oszillation im Erregerstrom IE über eine gegenüber dem fehlerfreien Normalfall erhöhte Amplitude.
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Im Fehlerfall II liegt ein Fehler in einem kompletten Strang vor, d.h. sowohl die Verbindung im High-Side-Pfad als auch die Verbindung im Low-Side-Pfad ist unterbrochen. Auch in diesem Fall verfügt die Oszillation im Erregerstrom IE über eine gegenüber dem fehlerfreien Normalfall erhöhte Amplitude.
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Im Fehlerfall III liegt ein Fehler im Phasenanschluss des Generatorreglers vor 140 vor. In diesem Fall ändert sich die Amplitude der Oszillation im Erregerstrom IE nicht gegenüber dem fehlerfreien Normalfall.
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Die Erkennung der Drehzahl nG kann daher auch über eine Analyse des Frequenzspektrums des Erregerstroms IE erfolgen, beispielsweise über eine FFT. Dies ist besonders zweckmäßig, da die obige Frequenz lediglich eine von mehreren der Frequenzkomponenten des Erregerstroms IE ist.
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In den 2 und 3 ist jeweils die Anordnung aus 1 gezeigt mit jeweils einem spezifischen Fehler im Gleichrichter 130.
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In 2 ist beispielhaft ein Kurzschluss im High-Side-Pfad, bei der Phase Y gezeigt. Dies kann bspw. bei einem Kurzschluss der zugehörigen Diode 131 auftreten.
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In 3 ist beispielhaft ein Kurzschluss im Low-Side-Pfad bei der Phase Y gezeigt. Dies kann bspw. bei einem Kurzschluss der zugehörigen Diode 132 auftreten.
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Das in 2 und 3 illustrierte Verhalten kann sich bei einem aktiven Gleichrichter, bei dem an Stelle der Dioden 131 und/oder an Stelle der Dioden 132 Schalter, beispielsweise MOSFETs vorgesehen sind, auch ohne einen tatsächlich vorliegenden Kurzschluss ergeben. Insbesondere, wenn ein sogenannter Load-Dump erkannt wird, kann vorgesehen sein, dass diese Schalter zum Abbau von Überspannungen entweder im High-Side-Pfad oder im Low-Side-Pfad so angesteuert werden, dass sich ein Kurzschluss zu High-Side bzw. zur Low-Side ergibt, dass also einer oder mehrere der Schalter auch dann leitend geschaltet werden, wenn die in 1 illustrierte entsprechende Diode 131, 132 sperren würde. Die Anmerkungen zu 4 bzw. 5 gelten dann entsprechend.
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In den 4 und 5 sind jeweils Verläufe der Generatorspannung U+, des Generatorstroms IG, der Phasenspannung UY der Phase Y (nicht in 7) und des Erregerstroms IE über der Zeit t gezeigt. Vor dem Zeitpunkt t0 herrscht ein normaler Betrieb der Anordnung und zum Zeitpunkt t0 tritt ein Fehler in der Generatoreinheit auf. Den Verläufen in den 4 und 5 entsprechen dabei Verläufe, wie sie Fehlern, wie in den 2 bis 3 gezeigt, entsprechen. Hierzu sei angemerkt, dass die Skalierung der einzelnen Diagramme sowohl bei Strom bzw. Spannung als auch bei der Zeit nicht immer übereinstimmen, was für die vorliegende Erfindung jedoch nicht relevant ist.
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In 4 ist zu sehen, dass sich ein Kurzschluss in einem High-Side-Pfad bei der Generatorspannung nur kurzzeitig nach Auftreten des Fehlers bemerkbar macht. Der Generatorstrom nimmt ab und die Phasenspannung verändert sich hinsichtlich ihres Schwingungsmusters. Im Erregerstrom ist eine deutliche Schwingung mit hoher Amplitude im Vergleich zum Verlauf ohne Fehler zu sehen. Nach dem Auftreten des Fehlers gibt es eine Frequenzkomponente des Erregerstroms IE mit der Frequenz f = nG·PPZ
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Dieser Verlauf des Erregerstroms resultiert aus einer unsymmetrischen Verteilung der Phasenströme nach dem Kurzschluss, die dann einen Gleichstromanteil enthalten. Mit der Drehung der elektrischen Maschine werden diese ungleichen Gleichstromanteile dann auf den Läufer der elektrischen Maschine übertragen, da die fremderregte Synchronmaschine wie ein Transformator betrachtet werden kann, der einerseits eine Kopplung vom Läufer auf den Ständer, andererseits aber auch eine Rückkopplung vom Ständer auf den Läufer ermöglicht. Der Erregerstrom erhält dadurch einen deutlichen Wechselstromanteil, wodurch die Erkennung der Drehzahl gegenüber dem Normalbetrieb noch einfacher möglich wird.
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Die Phasenspannung UY liegt nach dem Auftreten des Kurzschlusses konstant auf dem Spannungsniveau der High-Side B+ des Bordnetzes 150.
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In 5 ist zu sehen, dass sich ein Kurzschluss in einem Low-Side-Pfad bei der Generatorspannung nur kurzzeitig nach Auftreten des Fehlers bemerkbar macht und dass der Generatorstrom abnimmt. Im Erregerstrom ist, wie auch beim Kurzschluss im High-Side-Pfad, eine deutliche Schwingung mit hoher Amplitude im Vergleich zum Verlauf ohne Fehler zu sehen. Für die Frequenz des Erregerstroms gilt das in 4 gesagte.
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Die Phasenspannung UY liegt nach dem Auftreten des Kurzschlusses konstant auf dem Spannungsniveau der Low-Side B– des Bordnetzes 150.
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In 6 ist beispielhaft der Fall einer Unterbrechung des Phasensignalanschlusses 160 gezeigt. In diesem Fall wird dem Generatorregler 140 die Phasenspannung UY nicht übertragen. Stattdessen liegt an dem entsprechenden Eingang des Generatorreglers 140 ein konstantes Spannungsniveau an, welches zwischen dem Spannungsniveau der High-Side B+ des Bordnetzes 150 und dem Spannungsniveau der Low-Side B– des Bordnetzes 150 liegt.
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In jedem der in den 2, 3 und 6 illustrierten Fälle, einschließlich dem Fall der bewussten Herbeiführung eines der in den 2 und 3 illustrierten Fälle bei der Reaktion auf einen Load-Dump, ist es nicht mehr möglich, auf Basis der Phasenspannung UY die Drehzahl nG des Generators zu ermitteln.
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Daher ist es möglich, dann, wenn erkannt wurde, dass ein Load-Dump vorliegt, oder dann, wenn erkannt wird, dass die Phasenspannung UY einen konstanten Wert annimmt, die Drehzahl nG des Generators abhängig vom Verlauf des Erregerstroms zu ermitteln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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