DE102018222566A1 - Method for recognizing an error state of an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands (100A) in einem Erregerkreis (121) einer elektrischen Maschine (100), weiter aufweisend einen Stator (110) und eine mit dem Stator (110) verbundene Gleichrichterschaltung (130), wobei ein zeitlicher Verlauf eines Erregerstroms (I) der elektrischen Maschine (100) erfasst (310) wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste statistische Größe (Q1) des Erregerstroms (I) ermittelt wird und ein weitere statistische Größe (Q2) des Erregerstroms (I) ermittelt wird, wobei auf einen Fehler (F) im Erregerkreis (121) geschlossen (320) wird, wenn die Differenz (D) des ersten statistischen Größe (Q1) und der weiteren statistischen Größe (Q2) einen Schwellenwert (S) übersteigt.The invention relates to a method for detecting a fault state (100A) in an excitation circuit (121) of an electrical machine (100), further comprising a stator (110) and a rectifier circuit (130) connected to the stator (110), a time profile of an excitation current (I) of the electrical machine (100) is detected (310), characterized in that a first statistical variable (Q1) of the excitation current (I) is determined and a further statistical quantity (Q2) of the excitation current (I) is determined , wherein an error (F) in the excitation circuit (121) is inferred (320) if the difference (D) between the first statistical variable (Q1) and the further statistical variable (Q2) exceeds a threshold value (S).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for recognizing an error state of an electrical machine and a computing unit and a computer program for carrying it out.
Stand der TechnikState of the art
Um Netze bzw. Laststromkreise zu versorgen, können verschiedene Arten von Stromerzeugern verwendet werden. Beispielsweise kann mittels Drehstromgeneratoren ein mehrphasiger Strom erzeugt werden. Zur Speisung von Gleichstromnetzen aus derartigen Drehstromgeneratoren können als Gleichrichter betriebene Umrichter eingesetzt werden, um einen von der Drehstromquelle erzeugten mehrphasigen Strom in Gleichstrom zu wandeln. Die Gleichrichtung kann mittels passiver (Dioden) oder aktiver (Halbleiterschalter) Gleichrichterelemente erfolgen. Bei einem aktiven Gleichrichter ist neben dem Feldregler auch eine entsprechende Ansteuerschaltung Teil des Generatorreglers. Oftmals können Drehstromgeneratoren als elektrische Maschinen realisiert sein, welche generatorisch betrieben werden können, um elektrische Energie zu erzeugen, oder motorisch, um elektrische Energie in mechanische zu wandeln.Different types of power generators can be used to supply networks or load circuits. For example, a three-phase current can be generated by means of three-phase generators. To supply DC networks from such three-phase generators, converters operated as rectifiers can be used to convert a multi-phase current generated by the three-phase source into direct current. The rectification can be carried out using passive (diodes) or active (semiconductor switches) rectifier elements. In the case of an active rectifier, a corresponding control circuit is also part of the generator controller in addition to the field controller. Three-phase generators can often be implemented as electrical machines, which can be operated as a generator to generate electrical energy or as a motor to convert electrical energy into mechanical energy.
Beispielsweise können derartige Stromerzeuger in Kraftfahrzeugen zur Versorgung eines Kraftfahrzeugbordnetzes verwendet werden. Eine entsprechende elektrische Maschine kann beispielsweise generatorisch betrieben werden, um das Kraftfahrzeugbordnetz zu versorgen oder eine Kraftfahrzeugbatterie zu laden. Zu diesem Zweck kann die elektrische Maschine über sog. Endstufen bzw. Endstufenschaltung mit dem Bordnetz verbunden oder von diesem getrennt werden.For example, power generators of this type can be used in motor vehicles to supply a motor vehicle electrical system. A corresponding electrical machine can, for example, be operated as a generator in order to supply the motor vehicle electrical system or to charge a motor vehicle battery. For this purpose, the electrical machine can be connected to or disconnected from the vehicle electrical system via so-called output stages or output stage switching.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen eines Fehlerzustands in einem Erregerkreis vorzugsweise eines Rotors einer elektrischen Maschine 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 recognizing an error state in an excitation circuit, preferably a rotor of an electrical machine, and a computing unit and a computer program for carrying it out are proposed with the features of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims and the following description.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als ein Generator ausgebildet sein, z.B. als Klauenpool- oder Schenkelpoolgenerator. Ferner kann die elektrische Maschine auch als motorisch und/oder generatorisch betreibbare elektrische Maschine mit den zuvor genannten Geometrien ausgebildet sein. Die elektrische Maschine weist insbesondere einen Rotor und einen Stator auf sowie eine mit dem Stator verbundene Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten einer an dem Stator anliegenden Wechselspannung. Die Gleichrichterschaltung kann insbesondere Brückenschaltungen aus passiven Schaltelementen, insbesondere Dioden, oder auch aktive Schaltelemente, insbesondere Halbleiterschalter wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), aufweisen.The electrical machine can in particular be designed as a generator, e.g. as a claw pool or leg pool generator. Furthermore, the electrical machine can also be designed as a motor and / or generator-operated electrical machine with the geometries mentioned above. The electrical machine has, in particular, a rotor and a stator and a rectifier circuit connected to the stator for rectifying an AC voltage applied to the stator. The rectifier circuit can in particular have bridge circuits composed of passive switching elements, in particular diodes, or else active switching elements, in particular semiconductor switches such as metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET).
Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit bereitgestellt, auf einfache Weise einen Fehlerzustand im Erregerkreis des Rotors zu erkennen. Auch eine Klassifikation nach Umfang und Fortschritt des zuvor genannten Fehlers ist gegeben.The invention provides a possibility of easily recognizing an error state in the excitation circuit of the rotor. A classification according to the scope and progress of the aforementioned error is also given.
Zur Erreichung einer Generatorspannung wird die elektrische Maschine durch eine Recheneinheit mittels eines Ansteuersignals getaktet angesteuert.In order to achieve a generator voltage, the electrical machine is controlled in a clocked manner by a computing unit by means of a control signal.
Im Rahmen des Verfahrens zur Erkennung eines Fehlerzustands in einem Erregerkreis des Rotors, insbesondere eines sich anbahnenden Kurzschlusses im Erregerkreis, wird ein zeitlicher Verlauf eines Erregerstroms der elektrischen Maschine erfasst. Im Anschluss hieran wird eine erste statistische Größe des Erregerstroms ermittelt und es wird eine weitere statistische Größe des Erregerstroms ermittelt, wobei dann auf einen Fehler im Erregerkreis geschlossen wird, wenn die Differenz der ersten statistischen Größe und der weiteren statistischen Größe einen Schwellenwert übersteigt. Vorliegend handelt es sich bei der ersten statistischen Größe vorzugsweise um ein erstes Quantil des Erregerstroms und bei der weiteren statistischen Größe vorzugsweise um ein weiteres Quantil des Erregerstroms.As part of the method for detecting an error state in an excitation circuit of the rotor, in particular an impending short circuit in the excitation circuit, a time profile of an excitation current of the electrical machine is recorded. Following this, a first statistical quantity of the excitation current is determined and a further statistical quantity of the excitation current is determined, an error in the excitation circuit being concluded if the difference between the first statistical quantity and the further statistical quantity exceeds a threshold value. In the present case, the first statistical quantity is preferably a first quantile of the excitation current and the further statistical quantity is preferably a further quantile of the excitation current.
Eine derartige statistische Auswertung der Erregerstromwerte zur Überprüfung, ob ein Fehler, insbesondere ein Kurzschluss im Erregerkreis vorliegt, ist besonderes einfach und robust im Sinne einer Sicherheit einer Fehlerermittlung umsetzbar. Durch die Wahl eines geeigneten Quantils als untere Grenze und eines weiteren geeigneten Quantils als obere Grenze, kann insbesondere das im Erregerstromsignal enthaltende Rauschen beseitigt werden. Zudem Liefert die Defferenz des zuvor genannten Quantile ein gutes Maß für den zuvor genannten Fehler.Such a statistical evaluation of the excitation current values in order to check whether there is a fault, in particular a short circuit in the excitation circuit, can be implemented particularly simply and robustly in the sense of a safety of an error determination. By selecting a suitable quantile as the lower limit and a further suitable quantile as the upper limit, the noise contained in the excitation current signal can be eliminated in particular. In addition, the deficiency of the aforementioned quantile provides a good measure of the aforementioned error.
Durch den Vergleich der Differenz des ersten Quantils und des weiteren Quantils mit einem Schwellwert, kann der Fehler besonders leicht ermittelt werden. Der Schwellwert hingegen ergibt sich aus einem Referenzverlauf des Erregerstroms bei einer elektrischen Maschine im defektfreien Zustand. Die jeweiligen Schwellwerte können je nach Betriebspunkt der elektrischen Maschine in einem Steuergerät für die entsprechende Verwendung hinterlegt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt das erste Quantil im Intervall zwischen 1% und 10%, vorzugsweise 2%, und das weitere Quantil im Intervall zwischen 90% und 99%, vorzugsweise 98%.The error can be determined particularly easily by comparing the difference between the first quantile and the further quantile with a threshold value. The threshold value, on the other hand, results from a reference curve of the excitation current in an electrical machine in the defect-free state. Depending on the operating point of the electrical machine, the respective threshold values can be stored in a control device for the corresponding use. In a further preferred embodiment According to the invention, the first quantile lies in the interval between 1% and 10%, preferably 2%, and the further quantile lies in the interval between 90% and 99%, preferably 98%.
Anhand dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung lässt sich spezifisch für eine entsprechende elektrische Maschine die Quantile derart festlegen, dass der Rauschanteil im Erregerstromsignal sicher ausgeschlossen werden kann. Anhand einer derartigen Wahl der Quantile, das vorzugsweise 2% als untere Grenze und 98% als obere Grenze beträgt, kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders treffsicher einen Kurzschluss im Erregerkreis diagnostizieren. Hierbei ist das 2% Quantil dadurch gegeben, dass 2% der ermittelten Messwerte, die insbesondere innerhalb eines definierten Zeitintervalls ermittelt wurden, unterhalb des Werts des Quantils liegen oder diesem entsprechen. In Folge dessen liegen 98 % der ermittelten Werte, in diesem Fall des Erregerstroms, über diesem Wert.Using this preferred embodiment of the invention, the quantiles can be specified specifically for a corresponding electrical machine in such a way that the noise component in the excitation current signal can be reliably excluded. On the basis of such a choice of the quantiles, which is preferably 2% as the lower limit and 98% as the upper limit, the method according to the invention can diagnose a short circuit in the excitation circuit particularly accurately. The 2% quantile is given by the fact that 2% of the measured values determined, which were determined in particular within a defined time interval, lie below or correspond to the value of the quantile. As a result, 98% of the determined values, in this case the excitation current, are above this value.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Erregerstrom bzw. das erste Quantil und/oder das weitere Quantil innerhalb eines Zeitintervalls, vorzugsweise kleiner oder gleich 100 ms, weiter vorzugsweise kleiner oder gleich 10 ms ermittelt.In a further preferred embodiment of the invention, the excitation current or the first quantile and / or the further quantile is determined within a time interval, preferably less than or equal to 100 ms, further preferably less than or equal to 10 ms.
Zur Ermittlung des Erregerstroms und hieraus des ersten Quantils und/oder des weiteren Quantils sind für eine sichere Fehlerermittlung im Erregerkreis lediglich sehr kleine Zeitintervalle nötig, um eine entsprechende Diagnose durchzuführen. Hierfür genügen lediglich einige wenige charakteristische Features im Erregerstrom, die jeweils durch die im Wesentlichen periodischen Spannungsschwankungen gegeben sind.To determine the excitation current and from this the first quantile and / or the further quantile, only very small time intervals are required for reliable fault detection in the excitation circuit in order to carry out a corresponding diagnosis. Only a few characteristic features in the excitation current, which are given by the essentially periodic voltage fluctuations, are sufficient for this.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Schwellenwert anhand eines Sprungstroms im Erregerkreis ermittelt. Die Festlegung des Schwellenwert anhand des Sprungstroms eines Erregerkreises innerhalb einer elektrischen Maschine ist vorteilhaft, da dieser Sprungstrom anhand einer analytischen Formel leicht ermittelbar ist.In a further preferred embodiment of the invention, the threshold value is determined on the basis of a step current in the excitation circuit. The determination of the threshold value on the basis of the step current of an excitation circuit within an electrical machine is advantageous since this step current can easily be determined using an analytical formula.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird anhand des Betrags der Differenz der ersten statistischen Größe und/oder der weiteren statistischen Größe, vorzugsweise des ersten Quantils und/oder des weiteren Quantils auf Umfang und/oder Fortschritt des Fehlers, insbesondere eines Kurzschlusses im Erregerkreis, geschlossen. Durch geeignete Wahl des ersten Quantils und des weiteren Quantils kann anhand deren Differenz und Vergleich derselben mit einem Schwellenwert besonders sicher auf einen Defekt innerhalb des Erregerkreises geschlossen werden. Am Betrag der Differenz lässt sich die Schwere und/oder der Fortschritt des Fehlers innerhalb des Erregerkreises ableiten. Umso größer der Betrag ist, umso schwerwiegender bzw. weiterfortgeschritten ist der Fehler. Auch dies lässt sich mit entsprechenden Betragsgrenzen klassifizieren, wobei zwischen moderaten, schweren und sehr schweren Fehlern unterschieden und entsprechende Maßnahmen, wie z.B. eine Warnmeldung oder eine Notabschaltung erfolgen kann.In a further preferred embodiment of the invention, the magnitude of the difference between the first statistical variable and / or the further statistical variable, preferably the first quantile and / or the further quantile, determines the extent and / or progress of the error, in particular a short circuit in the excitation circuit, closed. Through a suitable choice of the first quantile and the further quantile, a defect within the excitation circuit can be inferred particularly reliably on the basis of their difference and comparison thereof with a threshold value. The severity and / or the progress of the error within the excitation circuit can be derived from the amount of the difference. The larger the amount, the more serious or advanced the error. This can also be classified with corresponding amount limits, whereby a distinction is made between moderate, severe and very serious errors and appropriate measures, such as a warning message or an emergency shutdown can occur.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs ist, insbesondere programmtechnisch dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, e.g. a control unit of a motor vehicle is, in particular set up in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere dann, wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin bereits vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EPROMs, DVDs usw. auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist grundsätzlich möglich.The implementation of the method in the form of a computer program is also advantageous, since this causes particularly low costs, in particular when an executing control device is still used for further tasks and is therefore already present anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as Hard disks, flash memory, EPROMs, DVDs etc. can also be downloaded from a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawings.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf diese Zeichnungen beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to these drawings.
FigurenlisteFigure list
-
1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine mit einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen;1 schematically shows an electrical machine with a preferred embodiment of a computing unit according to the invention, which is set up to carry out a preferred embodiment of a method according to the invention; -
2 zeigt schematisch ein Spannungs-Zeit-Diagramm eines zeitlichen Verlaufs eines Stromwerts, welcher im Zuge einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden kann;2nd schematically shows a voltage-time diagram of a time profile of a current value, which can be determined in the course of a preferred embodiment of a method according to the invention; -
3 zeigt schematisch eine elektrische Maschine in einem Fehlerzustand;3rd schematically shows an electrical machine in a fault state; -
4a-b zeigen den Verlauf des Erregerstroms ohne Kurzschluss (a) und mit Kurzschluss (b) im Erregerkreis; und4a-b show the course of the excitation current without short circuit (a) and with short circuit (b) in the excitation circuit; and -
5 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Fehlererkennung.5 shows schematically a flow diagram of a method for error detection.
In
Die elektrische Maschine
Die elektrische Maschine
Zwischen zwei Gleichspannungsanschlüssen
Eine Recheneinheit
In
In
Bei dem Kurzschluss des Erregerkreises
Die entsprechenden Verläufe des Erregerstroms
Zudem ist der Schwellwert
In
Optional können in Schritt
Claims (9)
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DE102018222566.4A DE102018222566A1 (en) | 2018-12-20 | 2018-12-20 | Method for recognizing an error state of an electrical machine |
Applications Claiming Priority (1)
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