DE102016220235A1 - Detecting a fault in a generator unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft 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 Energienetz angeschlossen ist, aufweist, wobei während wenigstens einer Zeitspanne, in der sich eine Schalteinheit, die zum Anlegen einer Erregerspannung (UE) an die Läuferwicklung dient, in einer Stellung (S) befindet, jeweils ein zeitlicher Verlauf (V1, V2) eines Erregerstroms (IE) durch die Läuferwicklung ermittelt wird, und wobei auf einen Fehler, der wenigstens einen Defekt in der Generatoreinheit betrifft, geschlossen wird, wenn wenigstens einer der ermittelten Verläufe (V1, V2) des Erregerstroms (IE) hinsichtlich wenigstens eines vorgebbaren Kriteriums von einem Vergleichsverlauf (V'1, V'2) des Erregerstroms (IE) bei einer entsprechenden Stellung (S) der Schalteinheit abweicht.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in einer Generatoreinheit sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for detecting an error in a generator unit as well as a computer unit and a computer program for its implementation.
Stand der TechnikState of the art
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 bzw. geregelt werden. Die elektrische Maschine ist dabei in der Regel über einen Gleichrichter (mit Dioden oder Halbleiterschaltern als Gleichrichterelemente) 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.Motor vehicles have a vehicle electrical system which is supplied with voltage via an electrical machine operated as a generator, for example a separately excited synchronous machine. To control the vehicle electrical system voltage while an excitation current of the electric machine can be controlled or regulated. The electric machine is usually connected via a rectifier (with diodes or semiconductor switches as rectifier elements) to the electrical system and forms with this a generator unit. In such generator units errors such as short circuits occur, which should be recognized if possible.
Fehler wie Unterspannung an einer Phase, Generatorstillstand, Kurzschluss im Erregerkreis oder Unterbrechung im Erregerkreis oder Erregertransistor sowie Überspannungen am Bordnetzanschluss können dabei beispielsweise anhand einer Schwellwertüberwachung und einer Plausibilisierung mit einem aktuellen Betriebszustand vorgenommen werden. Es gibt jedoch weitere Fehler, die auf diese Weise nicht erkannt werden können.Errors such as undervoltage on one phase, generator standstill, short circuit in the excitation circuit or interruption in the exciter circuit or exciter transistor and overvoltages on the vehicle electrical system connection can be carried out, for example, by means of a threshold value monitoring and a plausibility check with a current operating state. However, there are other errors that can not be detected in this way.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlers in 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.According to the invention, a method for detecting a fault in a generator unit as well as a computing unit and a computer program for carrying it out with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient 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 Energienetz angeschlossen ist, aufweist. Bei dem Energienetz kann es sich insbesondere um ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs handeln. Es wird nun während wenigstens einer Zeitspanne, in der sich eine Schalteinheit, die zum Anlegen einer Erregerspannung an die Läuferwicklung dient, in einer Stellung befindet, jeweils ein zeitlicher Verlauf eines Erregerstroms durch die Läuferwicklung ermittelt. Als Schalteinheit kommen bspw. Transistoren, dann auch als Erregertransistor bezeichnet, in Frage. Die Schalteinheit kann Teil der Generatoreinheit sein, aber auch separat, beispielsweise in einem am Generator angeordneten bzw. angebauten oder einem externen Generatorregler, vorgesehen sein.An inventive method is used to detect a fault in a generator unit, which has an electric machine with rotor winding and stator winding and a rectifier connected thereto, via which the electrical machine is connected to a power grid. The energy network may in particular be a vehicle electrical system of a motor vehicle. It is now during each period of time in which a switching unit, which serves to apply an excitation voltage to the rotor winding, in a position, each determined a time course of an excitation current through the rotor winding. As a switching unit come, for example, transistors, then also referred to as exciter transistor, in question. The switching unit may be part of the generator unit, but may also be provided separately, for example in a generator or mounted or an external generator controller.
Wenn wenigstens einer der ermittelten Verläufe des Erregerstroms hinsichtlich wenigstens eines vorgebbaren Kriteriums von einem Vergleichsverlauf des Erregerstroms bei einer entsprechenden Stellung der Schalteinheit abweicht, wird auf einen Fehler, der wenigstens einen Defekt in der Generatoreinheit betrifft, geschlossen. Zur Ermittlung des wenigstens einen Verlaufs des Erregerstroms kann der Erregerstrom beispielsweise mehrmals während einer solchen Zeitspanne, in der sich die Schalteinheit in einer (unveränderten) Stellung befindet, erfasst werden, insbesondere mit ausreichend hohen Abtastrate. Die Auswertung bzw. die Erkennung des Fehlers kann dann insbesondere in dem Generatorregler erfolgen. Bei den Vergleichsverläufen kann darauf geachtet werden, dass diese hinsichtlich verschiedener Betriebsparameter der Generatoreinheit, insbesondere deren Drehzahl, mit den Verläufen übereinstimmen, oder zumindest hinreichend genau übereinstimmen.If at least one of the determined courses of the exciter current deviates with respect to at least one predefinable criterion from a comparison course of the exciter current at a corresponding position of the switching unit, an error which relates to at least one defect in the generator unit is concluded. To determine the at least one course of the exciter current, the excitation current can be detected, for example, several times during such a period in which the switching unit is in an (unchanged) position, in particular with a sufficiently high sampling rate. The evaluation or the detection of the error can then take place in particular in the generator controller. In the comparison progressions, care must be taken that they match the progressions with respect to various operating parameters of the generator unit, in particular their rotational speed, or at least sufficiently exactly match.
Damit können auf einfache Weise verschiedene Arten von Fehlern im Gleichrichter und/oder der elektrischen Maschine erkannt werden. Dies ist möglich, da sich solche Fehler auf den Erregerstrom auswirken. Während sich beispielsweise durch einen einfachen Vergleich zwischen einer Phasenspannung und beispielsweise einer Batterie- bzw. Bordnetzspannung bspw. keine Abtrennung einer kompletten Phase vom Gleichrichter erkennen lässt, wirkt sich eine solche Abtrennung jedoch auf den Erregerstrom aus. Ebenso wirken sich insbesondere Kurzschlüsse zwischen zwei Phasen auf den Erregerstrom aus. Der Grund hierfür liegt an der Einkopplung von Strömen und damit auch unregelmäßigen bzw. nicht vorgesehenen Strömen in der Ständerwicklung auf die Läuferwicklung und damit den Erregerstrom.Thus, various types of errors in the rectifier and / or the electric machine can be easily detected. This is possible because such errors affect the exciter current. While, for example, a separation of a complete phase from the rectifier can not be detected by a simple comparison between a phase voltage and, for example, a battery or vehicle electrical system voltage, such a separation has an effect on the exciter current. Likewise, in particular short circuits between two phases affect the excitation current. The reason for this is due to the coupling of currents and thus also irregular or not provided currents in the stator winding on the rotor winding and thus the excitation current.
Zudem unterscheidet sich der Verlauf des Erregerstroms in Abhängigkeit von der Stellung der Schalteinheit. Bei einer Stellung der Schalteinheit, die ein Anlegen der Erregerspannung an die Läuferwicklung bewirkt (also einer Ein-Stellung), steigt der Erregerstrom beispielsweise an, während der Erregerstrom bei einer Stellung der Schalteinheit, die kein Anlegen der Erregerspannung an die Läuferwicklung bewirkt (also einer Aus-Stellung) abfällt, sofern keine Störung bzw. kein Fehler vorliegt. Es wurde nun erkannt, dass bei Vorliegen eines Fehlers in der Generatoreinheit durch die Einkopplung des Ständerstroms auf den Erregerstrom der Verlauf bei den jeweiligen Stellungen der Schalteinheit meist nicht mehr mit demjenigen bei einer ungestörten Generatoreinheit übereinstimmt. Durch die Berücksichtigung der Stellung des Schalters und eines Vergleichs des ermittelten Verlaufs mit einem Vergleichsverlauf, also insbesondere einem solchen Verlauf, bei dem kein Fehler vorliegt, lässt sich damit sehr einfach und auch sicher auf einen Fehler schließen.In addition, the course of the excitation current differs depending on the position of the switching unit. At a position of the switching unit, which causes an application of the excitation voltage to the rotor winding (ie an on position), the excitation current increases, for example, while the excitation current at a position of the switching unit, which causes no application of the excitation voltage to the rotor winding (ie Off position) drops, if there is no fault or no fault. It has now been recognized that in the presence of a fault in the generator unit due to the coupling of the stator current to the excitation current, the curve at the respective positions of the switching unit usually no longer coincides with that in the case of an undisturbed generator unit. By considering the position of the switch and a comparison of the determined course with a comparison, So in particular such a course, in which there is no error, it is very easy and safe to conclude an error.
Wenn auf einen Fehler erkannt wurde, dann kann dies insbesondere auch in einem Fehlerspeicher oder dergleichen hinterlegt werden. Ebenfalls ist eine akustische und/oder visuelle Anzeige, beispielsweise für einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs denkbar.If an error was detected, then this can be stored in particular in a fault memory or the like. Also an acoustic and / or visual display, for example, for a driver of a motor vehicle is conceivable.
Vorzugsweise umfasst das wenigstens eine Kriterium eine Unterscheidung zwischen einer steigenden und einer fallenden Tendenz des Erregerstroms. Damit kann sehr einfach werden, ob ein Fehler vorliegt. Wie erwähnt, sollte der Erregerstrom bei der Ein-Stellung ansteigen und bei der Aus-Stellung abfallen. Wenn nun beispielsweise der Mittelwert des Erregerstroms bei der Aus-Stellung kontinuierlich ansteigt oder bei der Ein-Stellung kontinuierlich abfällt, so liegt ein Fehler vor.Preferably, the at least one criterion comprises a distinction between an increasing and a decreasing tendency of the excitation current. This can be very easy, if there is an error. As mentioned, the excitation current should increase at the on position and drop at the off position. If, for example, the mean value of the excitation current continuously increases during the off position or continuously decreases during the on position, there is an error.
Vorteilhafterweise umfasst das wenigstens eine Kriterium eine Anzahl an steigenden und/oder fallenden Abschnitten (oder auch Bereichen oder zeitlichen Anteilen) des Erregerstroms. Während, wie erwähnt, bei der Ein-Stellung der Erregerstrom ansteigen sollte, so kann der Erregerstrom bei einem Fehler auch während einer unveränderten Stellung der Schalteinheit ansteigen und abfallen, insbesondere auch jeweils mehrmals. Der Wechsel zwischen steigenden und fallenden Abschnitten innerhalb einer Schaltstellung gibt damit einen Hinweis auf einen Fehler.Advantageously, the at least one criterion comprises a number of rising and / or falling portions (or ranges or temporal portions) of the excitation current. While, as mentioned, should increase in the on-position of the excitation current, so the excitation current can increase and decrease in an error even during an unchanged position of the switching unit, especially in each case several times. The change between rising and falling sections within a switching position thus indicates an error.
Es versteht sich, dass eine hinreichend genaue Messung und Auswertung nötig ist, um zwischen nur einer steigenden bzw. fallenden Tendenz und mehreren steigenden bzw. fallenden Abschnitten unterscheiden zu können.It is understood that a sufficiently accurate measurement and evaluation is necessary in order to distinguish between only one rising or falling trend and several rising or falling sections.
Vorteilhafterweise wird auf einen bevorstehenden Defekt als Fehler geschlossen, wenn bei dem wenigstens einen der ermittelten Verläufe des Erregerstroms eine Steigung geringer als ein vorgebbarer erster Schwellwert ist. Da nicht erst bei Vorliegen eines Defekts wie beispielsweise eines Kurzschlusses zwischen zwei Phasen eine erkennbare bzw. eine messbare Abweichung zwischen Verlauf und Vergleichsverlauf vorliegt, sondern bereits auch bei einem beginnenden Defekt, also beispielsweise einem kleiner werdenden Widerstand aufgrund einer sich ablösenden Isolierung oder Ähnlichem, kann sehr frühzeitig ein Fehler erkannt werden. Der erste Schwellwert kann dann entsprechend gewählt werden, beispielsweise um eine Unterscheidung vom tatsächlichen Vorliegen eines Defekts, also beispielsweise eines Kurzschlusses, zu ermöglichen.Advantageously, an imminent defect is concluded as an error if, in the at least one of the determined courses of the excitation current, a slope is less than a predefinable first threshold value. Since not in the presence of a defect such as a short circuit between two phases, a detectable or a measurable deviation between the course and comparison history exists, but already at a beginning defect, so for example a decreasing resistance due to a peeling insulation or the like very early an error can be detected. The first threshold value can then be selected accordingly, for example to enable a distinction to be made from the actual presence of a defect, for example a short circuit.
Zweckmäßig ist es auch, wenn auf einen bereits eingetretenen Defekt als Fehler geschlossen wird, wenn bei dem wenigstens einen der ermittelten Verläufe des Erregerstroms eine Steigung größer als ein vorgebbarer zweiter Schwellwert ist. It is also expedient if it is concluded that an already occurred defect is an error if, in the case of the at least one of the ascertained courses of the excitation current, a slope is greater than a prescribable second threshold value.
Der zweite Schwellwert kann dann ebenfalls entsprechend gewählt werden, beispielsweise anhand von Vergleichs- oder Testmessungen, in denen ein entsprechender Defekt simuliert wird. Dabei muss der zweite Schwellwert nicht dem ersten Schwellwert entsprechen, insbesondere kann er größer sein, um eine deutliche Unterscheidung zwischen den beiden Fehlerarten zu ermöglichen. Jedoch können beide Schwellwerte auch identisch sein.The second threshold value can then also be selected accordingly, for example based on comparison or test measurements in which a corresponding defect is simulated. In this case, the second threshold value does not have to correspond to the first threshold value, in particular it may be larger in order to allow a clear distinction between the two types of error. However, both thresholds can be identical.
Bevorzugt kommen als der wenigstens eine Defekt ein Kurzschluss zwischen zwei verschiedenen Phasen und/oder eine Unterbrechung einer Phase und/oder eine Unterbrechung einer Diode (oder eines Halbleiterschalters) und/oder ein Kurzschluss einer Diode (oder eines Halbleiterschalters) und/oder eine Degradation (z.B. eine Aufweitung) elektrischer Verbindungen zwischen Phasen und/oder Dioden, also den genannten Komponenten in Frage. Bei diesen Fehlern handelt es sich um solche, die eine Auswirkung auf den Verlauf des Erregerstroms in Abhängigkeit von der Stellung der Schalteinheit haben. Insofern können diese mit dem vorgeschlagenen Verfahren besonders einfach ermittelt werden.Preferably, the at least one defect is a short circuit between two different phases and / or an interruption of a phase and / or an interruption of a diode (or a semiconductor switch) and / or a short circuit of a diode (or a semiconductor switch) and / or a degradation ( eg an expansion) of electrical connections between phases and / or diodes, that is to say the components mentioned in question. These errors are those which have an effect on the course of the excitation current as a function of the position of the switching unit. In this respect, these can be determined particularly easily with the proposed method.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, insbesondere ein Generatorregler, oder z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, in particular a generator controller, or e.g. a control device of a motor vehicle is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.
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. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.Also, the implementation of the method in the form of a computer program is advantageous because this causes very low costs, especially if an executive controller is still used for other tasks and therefore already exists. Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as e.g. Hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described below with reference to the drawing.
Figurenliste list of figures
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1 zeigt schematisch eine Generatoreinheit mit elektrischer Maschine, Gleichrichter und Generatorregler, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.1 schematically shows a generator unit with electrical machine, rectifier and generator controller, in which a method according to the invention can be carried out. -
2 zeigt schematisch Vergleichsverläufe eines Erregerstroms in Abhängigkeit von einer Stellung der Schalteinheit im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.2 schematically shows comparison profiles of an excitation current as a function of a position of the switching unit in the context of a method according to the invention in a preferred embodiment. -
3 zeigt schematisch Verläufe eines Erregerstroms in Abhängigkeit von einer Stellung der Schalteinheit bei Vorliegen eines Fehlers im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.3 schematically shows courses of an excitation current as a function of a position of the switching unit in the presence of a fault in the context of a method according to the invention in a preferred embodiment. -
4 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.4 schematically shows a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment.
Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention
In
Die elektrische Maschine
Der Generatorregler
In
An der Erregerspannung UE bzw. der Stellung S ist zu erkennen, dass die Schalteinheit zunächst auf Aus (
Am Erregerstrom IE ist zu erkennen, dass dieser - auch abgesehen von etwaigen hochfrequenten Störeinflüssen - nicht konstant verläuft. Insbesondere sind hier drei Vergleichsverläufe
Bei dem hier dargestellten Normalbetrieb ohne Fehler oder Störungen der Generatoreinheit weisen die Vergleichsverläufe eine steigende, fallende bzw. wieder steigende Tendenz auf. Es ist jedoch auch zu sehen, dass bei der Ein-Stellung eine steigende Tendenz und bei der Aus-Stellung eine fallende Tendenz vorliegen, so wie dies aufgrund der Induktivität der Läuferwicklung auch zu erwarten ist.In the normal operation shown here without errors or disturbances of the generator unit, the comparison curves have an increasing, decreasing or rising tendency again. However, it can also be seen that there is an increasing tendency in the on position and a falling tendency in the off position, as is to be expected on account of the inductance of the rotor winding.
In
An der Erregerspannung UE bzw. der Stellung S ist zu erkennen, dass die Schalteinheit zunächst auf Ein (
Bei den Ein-Stellungen der Schalteinheit ist zu sehen, dass die Erregerspannung UE - im Vergleich zu
Am Erregerstrom IE ist zu erkennen, dass dieser - im Vergleich zu
Während beim ersten Verlauf V2, d.h. während der Aus-Stellung, eine fallende Tendenz vorliegt, wie auch beim Vergleichsverlauf
Bei dem Verlauf V1 ist zu sehen, dass sich steigende und fallende Abschnitte abwechseln, obwohl die Schalteinheit dauerhaft in der Ein-Stellung steht, während der Vergleichsverlauf
Bei dem hier dargestellten Fehler handelt es beispielhaft um einen bevorstehenden Defekt, nämlich einen Kurzschluss zwischen zwei Phasen. Der Widerstand zwischen den Phasen beträgt hier ca. 0,1 Ω. Als Betriebsparameter wurden hier ca. 1800 1/min als Drehzahl und ca. 20 A als elektrische Last gewählt. Bei den übrigen erwähnten Fehlern stellt sich das Fehlerbild, also der Verlauf des Erregerstroms, ähnlich dar.The error shown here is an example of an imminent defect, namely a short circuit between two phases. The resistance between the phases is approx. 0.1 Ω here. The operating parameters selected here were approx. 1,800 rpm as speed and approx. 20 A as electrical load. In the case of the other errors mentioned, the error pattern, that is to say the course of the exciter current, is similar.
In
Zunächst startet das Verfahren mit dem Schritt
Im Schritt
Wenn in Schritt
Wenn das Verfahren bis zum Schritt
Es versteht sich, dass hierbei auch die weiteren, erwähnten Möglichkeiten, einen Fehler zu erkennen, sowie geeignete Filter entsprechend berücksichtigt werden können.It is understood that in this case also the other mentioned possibilities to detect an error, as well as suitable filters can be considered accordingly.
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