DE102019107725A1 - Apparatus and a method for detecting a shorted winding in a stator coil - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auswertevorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Windungsschlusses in einer Statorspule (10) einer elektrischen Maschine, wobei die Auswertevorrichtung eine Drahtschlaufe (20) und eine Auswerteschaltung (30) zum Erfassen der in der Drahtschlaufe (20) induzierten Spannung Uindaufweist, wobei die Drahtschlaufe (20) um die Statorspule (10) herum gewickelt ist, wobei die Statorspule (10) endseitig zwei Messanschlüsse (M1, M2) ausbildet, mit denen zwei Eingangsanschlüsse (SENS1, SENS2) der Auswerteschaltung (30) verbunden sind und wobei die Auswerteschaltung (30) wenigstens einen Operationsverstärker (OP) zur Verstärkung des Spannungssignals, einen Komparator (K) zum Vergleich des erfassten Spannungssignals mit einem Referenzsignal und einen Flip-Flop-IC (IC) zum Auswerten des Ergebnisses des Komparators (K) aufweist, um ein Signal zu erzeugen, wenn die in der Drahtschlaufe (20) detektierte induzierte Spannung Uindum einen vorbestimmten Faktor k kleiner ist, als ein Soll-Grenzwert einer Soll-Referenzspannung Usoll.The present invention relates to an evaluation device and a method for detecting a shorted winding in a stator coil (10) of an electrical machine, the evaluation device having a wire loop (20) and an evaluation circuit (30) for detecting the voltage Uind induced in the wire loop (20), the wire loop (20) being wound around the stator coil (10), the stator coil (10) forming two measuring connections (M1, M2) at the end, to which two input connections (SENS1, SENS2) of the evaluation circuit (30) are connected and where the evaluation circuit (30) has at least one operational amplifier (OP) for amplifying the voltage signal, a comparator (K) for comparing the detected voltage signal with a reference signal and a flip-flop IC (IC) for evaluating the result of the comparator (K), to generate a signal when the induced voltage Uind detected in the wire loop (20) by a predetermined factor r k is smaller than a target limit value of a target reference voltage Usoll.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Windungsschlusses einer Statorspule, insbesondere einer Statorspule einer Drehfeldmaschine.The invention relates to a device and a method for detecting a shorted winding of a stator coil, in particular a stator coil of a rotating field machine.
Windungsschlüsse können in Spulen von elektrischen Maschinen sowohl in der Stator- als auch in der Rotorwicklung auftreten. Als Windungsschluss oder Wicklungsschluss in einer Statorwicklung ist ein elektrischer Kurzschluss zwischen zwei oder mehreren Windungen einer Statorwicklung zu verstehen.Interturn faults can occur in the coils of electrical machines in both the stator and rotor windings. An electrical short circuit between two or more turns of a stator winding is to be understood as a winding short circuit or winding short circuit in a stator winding.
Zur Überwachung und Fehlersuche bei elektrischen Antrieben, aufweisend eine E-Maschine, wird eine Reihe von Funktionen zur Diagnose benötigt. In der Regel werden Kurzschlüsse nach Masse und Versorgung detektiert. Die Erkennung eines Windungsschlusses in den Spulen der elektrischen Maschine ist prinzipiell mittels Messung des ohmschen Widerstandes an den Phasen der E-Maschine möglich. Allerdings ist dieser Widerstand generell sehr klein, sodass Leitungsimpedanzen bzw. Überganswiderstände an (Steck-)Verbindungen das Messergebnis verfälschen können und demnach ungenau sind. Tritt ferner ein (partieller) Kurzschluss zwischen zwei Phasen oder innerhalb der Phase der elektrischen Maschine auf, so wird dieser häufig nicht oder zumindest nicht eindeutig detektiert.A number of diagnostic functions are required for monitoring and troubleshooting electrical drives that have an electric machine. As a rule, short circuits to ground and supply are detected. The detection of a shorted winding in the coils of the electrical machine is possible in principle by measuring the ohmic resistance at the phases of the electrical machine. However, this resistance is generally very small, so that line impedances or transition resistances at (plug) connections can falsify the measurement result and are therefore inaccurate. Furthermore, if a (partial) short circuit occurs between two phases or within the phase of the electrical machine, this is often not or at least not clearly detected.
Aus der
Aus der
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Eine weitere Lösung zur Detektion von Windungsschlüssen in der Rotorwicklung ist beispielsweise aus der
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Detektion von Windungsschlüssen im Stator verwendet Flussmessspulen, deren beide Spulenschenkel in den Nutverschlusskeilen zweier Nuten geführt werden und damit einen bestimmten Bereich des Stator-Blechpakets in Umfangsrichtung überdecken. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass diese Messspulen nur mit erheblichem Aufwand in eine existierende Maschine eingebaut werden können.Another known method for detecting shorted turns in the stator uses flux measuring coils, the two coil legs of which are guided in the slot closure wedges of two slots and thus cover a certain area of the stator core in the circumferential direction. A disadvantage of this method is that these measuring coils can only be built into an existing machine with considerable effort.
Weitere Nachteile bekannter Verfahren sind darin zu sehen, dass erst Windungsfehler und Windungsschlüsse mit ausreichender Zuverlässigkeit erst ab ca. 10% Anteil an der kompletten Wicklung detektiert werden können. Wünschenswert wäre jedoch bereits eine Detektion bei einem einzigen Windungsschluss zwischen zwei Windungsdrähten.Further disadvantages of known methods can be seen in the fact that winding faults and shorted turns can only be detected with sufficient reliability from a share of approx. 10% of the complete winding. However, it would be desirable to have a detection in the event of a single coil short between two coil wires.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine einfache und kostengünstig umsetzbare Lösung zur Detektion von Wicklungsschlüssen bereit zu stellen.The invention is therefore based on the object of overcoming the aforementioned disadvantages and of providing a simple and cost-effective solution for the detection of winding shorts.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved according to the invention by the features of
Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung betrifft die Ausnutzung des Effektes der Streufeldänderung aufgrund eines Wicklungsschlusses und deren Auswertung mit einer Auswerteschaltung.A basic idea of the present invention relates to the utilization of the effect of the change in the stray field due to a winding short and its evaluation with an evaluation circuit.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Auswertevorrichtung zur Detektion eines Windungsschlusses in einer Statorspule einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, wobei die Auswertevorrichtung eine Drahtschlaufe und eine Auswerteschaltung zum Erfassen der in der Drahtschlaufe induzierten Spannung Uind aufweist, wobei die Drahtschlaufe um die Statorspule herum gewickelt ist, wobei die Statorspule endseitig zwei Messanschlüsse ausbildet, mit denen zwei Eingangsanschlüsse der Auswerteschaltung verbunden sind und wobei die Auswerteschaltung wenigstens einen Operationssverstärker zur Verstärkung des Spannungssignals, einen Komparator zum Vergleich des erfassten Spannungssignals mit einem Referenzsignal (Sollwertsignal) und einen Flip-Flop-IC zum Auswerten des Ergebnisses des Komparators aufweist, um ein Signal zu erzeugen, wenn die in der Drahtschlaufe detektierte induzierte Spannung Uind um einen vorbestimmten Faktor k kleiner ist, als ein Soll-Grenzwert einer Soll-Referenzspannung Usoll.According to the invention, an evaluation device for detecting a shorted winding in a stator coil of an electrical machine is proposed for this purpose, the evaluation device having a wire loop and an evaluation circuit for detecting the voltage U ind induced in the wire loop, the wire loop being wound around the stator coil, the stator coil Forms two measuring connections at the end, with which two input connections of the evaluation circuit are connected and wherein the evaluation circuit has at least one operational amplifier for amplifying the voltage signal, a comparator for comparing the detected voltage signal with a reference signal (setpoint signal) and a flip-flop IC for evaluating the result of the Comparator has to a signal generate, if the wire loop in the detected induced voltage U ind k by a predetermined factor is less than a desired limit of a target reference voltage U soll.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist weiter vorgesehen, dass in der Auswerteschaltung ferner eine LED vorgesehen ist, die bei Unterschreiten des Soll-Grenzwerts der induzierte Spannung Uind leuchtet, insbesondere dauerhaft leuchtet. Daraus kann dann auf einfache Weise beim Betrieb der elektrischen Maschine ein Windungsschluss auch optisch von einer Person erkannt werden.In an advantageous embodiment it is further provided that an LED is also provided in the evaluation circuit, which lights up, in particular lights up continuously, when the induced voltage U ind falls below the setpoint limit value. From this, a shorted turn can be recognized optically by a person during operation of the electrical machine.
In einer bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltung der Auswertevorrichtung ist vorgesehen, dass der Ausgang des Komparators mit einem Eingang des Flip-Flop-ICs verbunden ist, um das Ergebnis des Komparators unmittelbar auswerten zu können. Die Auswertung kann alternativ z. B. auch mittels eines Mikrocontrollers erfolgen.In a preferred and advantageous embodiment of the evaluation device it is provided that the output of the comparator is connected to an input of the flip-flop IC in order to be able to evaluate the result of the comparator directly. The evaluation can alternatively z. B. also be done by means of a microcontroller.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Auswertevorrichtung ist vorgesehen, dass ein Eingang des Operationsverstärkers mit einem der Enden der Drahtschlaufe verbunden ist. Denkbar wäre auch bei der Überwachung einer Vielzahl von Statorspulen mit einer Auswertevorrichtung, dass die Enden der jeweiligen Spulen mit den Eingängen einer einzigen Auswerteschaltung trennbar und zuschaltbar über eine Schaltvorrichtung verbunden sind, so dass sich jeweils nur die Spule überwachen lässt, die gerade aktiv mit der Auswerteschaltung verbunden ist, während die getrennten Drahtschlaufen inaktiv sind. Auf diese Weise kann eine kostengünstige Auswertevorrichtung bereitgestellt werden, die eine Vielzahl von Statorspulen überwacht.Another preferred embodiment of the evaluation device provides that an input of the operational amplifier is connected to one of the ends of the wire loop. When monitoring a large number of stator coils with an evaluation device, it would also be conceivable that the ends of the respective coils are connected to the inputs of a single evaluation circuit so that they can be separated and connected via a switching device, so that only the coil that is currently active with the can be monitored Evaluation circuit is connected while the separate wire loops are inactive. In this way, an inexpensive evaluation device can be provided that monitors a large number of stator coils.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Auswerteschaltung ist vorgesehen, dass der Faktor k > 1,5, vorzugsweise größer 2 ist. Hierdurch lässt sich eindeutig ein Windungsschluss detektieren und von möglicherweise auftretenden Spannungsripel unterscheiden.In a particularly advantageous embodiment of the evaluation circuit, it is provided that the factor k> 1.5, preferably greater than 2. This makes it possible to clearly detect a shorted turn and distinguish it from any voltage ripples that may occur.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Windungsschlusses in einer Statorspule einer elektrischen Maschine, bei dem die Statorspule zwei Anschlüsse aufweist und über diese mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird, wobei um die zu überwachende Statorspule herum eine Drahtschlaufe gewickelt ist, die endseitig zwei Messanschlüsse ausbildet, die mit einer Auswerteschaltung zum Erfassen der in der Drahtschlaufe induzierten Spannung Uind verbunden sind, wobei die Auswerteschaltung ausgebildet ist, auf Basis der Höhe oder der Scheitelwerte der aktuell erfassten induzierten Spannung Uind einen Windungsschluss in der Statorspule zu detektieren. Dies erfolgt dadurch, dass die Auswerteschaltung, wie zuvor beschrieben ausgebildet ist oder alternativ so konzipiert ist, dass ein Soll-Istwert-Vergleich, vorzugsweise über eine längere Zeit der Scheitelwerte der aktuellen induzierten Spannungen zur induzierten Spannung im fehlerfreien Zustand (d. h. ohne einen Windungsschluss) der Windungen durchgeführt wird.Another aspect of the present invention relates to a method for detecting a shorted winding in a stator coil of an electrical machine, in which the stator coil has two connections and an electrical alternating voltage is applied via these, a wire loop being wound around the stator coil to be monitored, which Forms two measurement connections at the end, which are connected to an evaluation circuit for detecting the voltage U ind induced in the wire loop, the evaluation circuit being designed to detect a shorted winding in the stator coil on the basis of the level or the peak values of the currently detected induced voltage U ind . This takes place in that the evaluation circuit is designed as described above or, alternatively, is designed in such a way that a target / actual value comparison, preferably over a longer period of time, of the peak values of the current induced voltages to the induced voltage in the error-free state (i.e. without a shorted turn) the turns is carried out.
Weiter vorteilhaft ist das Verfahren, wenn mit der Auswerteschaltung ein Quotient zwischen der Soll-Referenzspannung Usoll, die der induzierten Spannung in der Drahtschlaufe bei Nichtvorhandensein eines Windungsschlusses in einer Statorspule entspricht und der jeweils aktuell in der Drahtschlaufe detektierten induzierte Spannung Uind gebildet wird und ausgewertet wird ob dieser Quotient größer oder kleiner ist als ein vorbestimmter Faktor k und davon abhängig auf das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Windungsschlusses geschlossen wird.The method is also advantageous if the evaluation circuit is used to generate a quotient between the target reference voltage U soll , which corresponds to the induced voltage in the wire loop in the absence of a winding short in a stator coil, and the induced voltage U ind currently detected in the wire loop and It is evaluated whether this quotient is greater or less than a predetermined factor k and, depending on this, a conclusion is drawn as to the presence or absence of an interturn fault.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Vergleichstabelle in einem Systemspeicher hinterlegt ist, in der jedem k-Wert seinem Betrag nach der Umfang eines Windungsschlusses zugeordnet ist. So könnten bei einem Faktor k=1,5 zum Beispiel lediglich zwei Windungen kurzgeschlossen sein, während bei dem Faktor k= 6 bereits 20% der Windungen einen Kurzschluss aufweisen. Auf diese Weise lässt sich über den tatsächlich erfassten Faktor k nicht nur auf das grundsätzliche Vorhandensein, sondern auch auf das Ausmaß des Vorliegens eines Windungsschlusses schließen.Furthermore, it can be provided that a comparison table is stored in a system memory in which each k-value is assigned its magnitude according to the extent of a shorted turn. For example, with a factor of k = 1.5, only two turns could be short-circuited, while with a factor of k = 6, 20% of the turns already have a short circuit. In this way, the actually recorded factor k can be used to infer not only the basic presence, but also the extent to which a coil short is present.
Besonders vorteilhaft an der Idee der Erfindung ist es, dass das Verfahren an einer Statorspule einer elektrischen Maschine während des Betriebs der elektrischen Maschine durchgeführt werden kann. Somit besteht die Möglichkeit einer kontinuierlichen Betriebsüberwachung und Früherkennung von Problemen mit Wicklungsschlüssen.It is particularly advantageous in the idea of the invention that the method can be carried out on a stator coil of an electrical machine during operation of the electrical machine. This enables continuous operational monitoring and early detection of problems with shorts in the winding.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere elektrische Drehfeldmaschine aufweisend eine wie zuvor beschriebene Auswertevorrichtung.Another aspect of the present invention relates to an electrical machine, in particular an electrical induction machine having an evaluation device as described above.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figures.
Es zeigt:
-
1 eine schematische Ansicht einer Statorspule mit einer Drahtschlaufe ausgebildet als Messwicklung; -
2 eine Auswerteschaltung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform und -
3 eine Messkurve der induzierten Spannungen mit und ohne Windungsschluss.
-
1 a schematic view of a stator coil with a wire loop designed as a measuring winding; -
2 an evaluation circuit according to an exemplary embodiment and -
3 a measurement curve of the induced voltages with and without interturn shortfalls.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die
In der
Die
Die Auswerteschaltung
Die Drahtschlaufe
Nach Vergleich des erfassten Spannungssignals mit dem Referenzsignal wird das Ausgangssignal des Komparators K einem Flip-Flop-IC zugeführt. Ein Ausgang des Flip-Flop-IC ist ferner mit einer LED D1 verbunden, die bei Unterschreiten des Soll-Grenzwerts der induzierte Spannung Uind dauerhaft leuchtet, solange die Messung stattfindet.After comparing the detected voltage signal with the reference signal, the output signal of the comparator K is fed to a flip-flop IC. An output of the flip-flop IC is also connected to an LED D1, which lights up continuously when the induced voltage U ind falls below the setpoint limit value, as long as the measurement takes place.
Die
Ein automatisches Abschalten des Motors über eine elektrische Abschalteinrichtung, wie z. B. ein Relais wäre ebenfalls vorteilhaft.An automatic shutdown of the engine via an electrical shutdown device, such as. B. a relay would also be beneficial.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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