DE102020215366A1 - Monitoring method and device for an electric propulsion system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Überwachungsverfahren für ein elektrisches Antriebssystem (100) mit mindestens einem Teilsystem (10, 20) mit jeweils mindestens einem elektrischen Teilmotor (11, 12), der als 3-Phasen-Motor ausgebildet ist, gekennzeichnet durcha) die Überwachung des Betriebs des elektrischen Antriebssystems (100) mit einer Überwachungsvorrichtung (50), wobei Betriebsdaten für ein Mitsystem, ein Gegensystem und ein Nullsystem als symmetrische Komponenten mindestens eines Teilmotors (11, 12, 21, 22) überwacht werden, undb) mit einem Gegensystemüberwachungsmittel (51) eine Abweichung mindestens eines Parameters des Gegensystems von einer vorgegebenen Bedingung erfasst wird undc) und in Reaktion auf die Erfassung der Abweichung darauf mindestens ein Steuersignal (S, Su, SI, SN) für das elektrische Antriebssystem (100) abgegeben wird. Die Erfindung betrifft auch eine Überwachungsvorrichtung.The invention relates to a monitoring method for an electric drive system (100) with at least one subsystem (10, 20) each with at least one electric submotor (11, 12) designed as a 3-phase motor, characterized bya) monitoring the operation the electrical drive system (100) with a monitoring device (50), with operating data for a positive sequence system, a negative sequence system and a zero sequence system being monitored as symmetrical components of at least one sub-motor (11, 12, 21, 22), andb) with a negative sequence system monitoring means (51) a deviation of at least one parameter of the counter-system from a predetermined condition is detected and c) and in response to the detection of the deviation at least one control signal (S, Su, SI, SN) for the electric drive system (100) is emitted. The invention also relates to a monitoring device.
Description
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Überwachungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5.The present disclosure relates to a monitoring method having the features of
Elektrische Antriebssysteme, insbesondere für Flugzeuge, sind grundsätzlich bekannt.Electrical drive systems, in particular for aircraft, are known in principle.
Dabei sind z.B. elektrische Antriebe (electrical propulsion units) in Flugzeugen in einzelnen Teilsystemen angeordnet, die jeweils eine Wechselrichtervorrichtung, eine Steuereinheit und mindestens einen 3-Phasen-Teilmotor aufweisen. Die Teilmotoren, die auch als Submotoren bezeichnet werden, bilden gemeinsam den Gesamtmotor, der einen Propeller des Flugzeugantriebs antreibt.In this case, for example, electrical drives (electrical propulsion units) in aircraft are arranged in individual subsystems, each of which has an inverter device, a control unit and at least one 3-phase submotor. The partial engines, also referred to as sub-engines, together form the overall engine that drives a propeller of the aircraft engine.
Wenn nun in einem der Teilsysteme ein Fehler auftritt, kann dieses Teilsystem abgeschaltet werden, wobei die übrigen Teilsysteme in Betrieb bleiben, um den Propeller weiter anzutreiben.Now, if a failure occurs in one of the subsystems, that subsystem can be shut down, while the remaining subsystems remain in operation to continue driving the propeller.
Dabei ist es z.B. bekannt, das Verhalten der Wechselrichtervorrichtung zu überwachen, um damit auf Fehler in einem Teilsystem zu schließen.It is known, for example, to monitor the behavior of the inverter device in order to infer errors in a subsystem.
Viele Fehler im elektrischen Teil der Teilsysteme, z.B. in einer Steuereinheit, lassen sich aber nicht eindeutig erkennen. Außerdem beeinflussen die Regelung des Stroms und die Regelung der Drehzahl im Teilsystem die Auswirkungen von Fehlern, was die Erkennung von Fehlern ebenfalls erschwert.However, many faults in the electrical part of the subsystems, e.g. in a control unit, cannot be clearly identified. In addition, the regulation of the current and the regulation of the speed in the subsystem affect the effects of faults, which also makes it difficult to detect faults.
Da nicht alle Fehler in einem Teilsystem erkannt werden, ist auch eine Zertifizierung der Antriebe schwierig.Since not all errors in a subsystem are detected, it is also difficult to certify the drives.
Es stellt sich daher die Aufgabe, Fehler in einem Teilsystem in robuster Weise zu erkennen.The task is therefore to detect faults in a subsystem in a robust manner.
Dies wird durch ein Überwachungsverfahren für ein elektrisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht. Dabei weist das elektrische Antriebssystem mindestens ein Teilsystem mit jeweils mindestens einem elektrischen Teilmotor auf, der als 3-Phasen-Motor ausgebildet ist.This is made possible by a monitoring method for an electric drive system having the features of
Zunächst erfolgt eine Überwachung des Betriebs des elektrischen Antriebssystems mit einer Überwachungsvorrichtung, wobei elektrische Betriebsdaten für ein Mitsystem, ein Gegensystem und ein Nullsystem als symmetrische Komponenten mindestens eines Teilmotors überwacht werden. Dabei ist die Darstellung der Betriebsdaten in Form der symmetrischen Komponenten grundsätzlich bekannt.First, the operation of the electric drive system is monitored using a monitoring device, with electrical operating data for a positive sequence system, a negative sequence system and a zero sequence system being monitored as symmetrical components of at least one sub-motor. The presentation of the operating data in the form of the symmetrical components is fundamentally known.
Mit einem Gegensystemüberwachungsmittel wird dann eine Abweichung mindestens eines Parameters des Gegensystems von einer vorgegebenen Bedingung erfasst. Die Abweichung kann z.B. durch Über- oder Unterschreiten von Schwellenwerten definiert werden. Dabei können auch berechnete Abweichungen, z.B. unter Verwendung zeitlicher Mittelungen bzw. anderer Filtermaßnahmen, berücksichtigt werden.A deviation of at least one parameter of the negative system from a predetermined condition is then detected with a negative system monitoring means. The deviation can be defined, for example, by exceeding or falling below threshold values. Calculated deviations, e.g. using time averaging or other filter measures, can also be taken into account.
In Reaktion auf die Erfassung der Abweichung wird darauf mindestens ein Steuersignal für das elektrische Antriebssystem abgegeben.In response to the detection of the deviation, at least one control signal for the electric drive system is then output.
Durch den Rückgriff auf einen Teil der symmetrischen Komponenten, nämlich das Gegensystem, lässt sich eine robuste Überwachung realisieren. Die Fehlerursache kann dann im Rahmen einer Inspektion genauer ermittelt und beseitigt werden.Robust monitoring can be implemented by using part of the symmetrical components, namely the negative sequence system. The cause of the error can then be determined more precisely and eliminated as part of an inspection.
Eine solche Überwachung ist einfach zu implementieren, wobei eine Vielzahl von elektrischen Fehlern in mindestens einem Teilsystem im Betrieb erkannt werden kann. Damit ist die Fehlererkennung nicht auf eine einzelne Fehlerquelle im Teilsystem festgelegt, wie dies z.B. bei der Erfassung einer Überspannung als Folge eines Kurzschlusses in einer Wicklung des Teilmotors der Fall wäre.Such monitoring is easy to implement, with a large number of electrical faults being able to be detected in at least one subsystem during operation. This means that error detection is not limited to a single error source in the sub-system, as would be the case, for example, with the detection of an overvoltage as a result of a short circuit in a winding of the sub-motor.
Dabei kann in einer Ausführungsform der mindestens eine Parameter des Gegensystems ein Spannungswert und / oder ein Stromwert sein.In one embodiment, the at least one parameter of the negative sequence system can be a voltage value and/or a current value.
Ferner kann aus Stromdaten des Gegensystems und / oder aus Spannungsdaten des Gegensystems jeweils ein Steuersignal ermittelt werden, wenn eine Abweichung von einer vorbestimmten Bedingung für die Stromdaten des Gegensystems und / oder für die Spannungsdaten des Gegensystems bestimmt wird. Grundsätzlich reicht es aus, dass eine einzige Bedingung für eine Abweichung erfüllt wird, um ein Steuersignal auszulösen. Damit kann entsprechend auf einen aufgetretenen Fehler reagiert werden.Furthermore, a control signal can be determined from current data of the negative sequence system and/or from voltage data of the negative sequence system if a deviation from a predetermined condition is determined for the current data of the negative sequence system and/or for the voltage data of the negative sequence system. In principle, it is sufficient for a single condition for a deviation to be met in order to trigger a control signal. This allows you to react accordingly to an error that has occurred.
Die Aufgabe wird auch durch eine Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.The object is also achieved by a monitoring device having the features of
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; dabei zeigen
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Überwachungsvorrichtung; -
1A eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Überwachungsvorrichtung; -
2 eine Ausführungsform für eine Überwachung eines Nullsystems eines Teilsystems eines elektrischen Antriebssystems in zwei Teilen (2A ,2B ): -
3 eine Darstellung von Signalverläufen zur Fehlerdetektion.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a monitoring device; -
1A a schematic representation of a further embodiment of a monitoring device; -
2 an embodiment for monitoring a null system of a subsystem of an electric drive system in two parts (2A ,2 B ): -
3 a representation of signal curves for error detection.
Im Folgenden werden Ausführungsformen für eine Überwachungsvorrichtung und ein Überwachungsverfahren für ein elektrisches Antriebssystem 100 dargestellt, wie sie z.B. in einem Flugzeugantrieb 30 (siehe
Die Antriebsleistung für den Flugzeugantrieb 30 wird von Elektromotoren 11, 12, 21, 22 aufgebracht, die in Teilsystemen 10, 20 (im Englischen „lanes“) angeordnet sind. Da die Elektromotoren 11, 12, 21, 22 jeweils einen Teil der Leistung erbringen, werden sie hier als Teilmotoren 11, 12, 21, 22 bezeichnet. Die Teilmotoren 11, 12, 21, 22 und auch die Teilsysteme 10, 20 sind hier als parallele Strukturen dargestellt, da der Ausfall eines Teilmotors 11, 12, 21, 22 und / oder eines Teilsystems 10, 20 nicht dazu führt, dass keine Leistung mehr an den Flugzeugantrieb 30 übertragen wird.The drive power for the
Vielmehr übernehmen die verbleibenden funktionierenden Teilmotoren 11, 12, 21, 22 und / oder Teilsysteme 10, 20 die Versorgung des Flugzeugantriebes 30.Rather, the remaining functioning
Die hier gewählte parallele und hierarchische Darstellung bedeutet aber nicht, dass die Teilmotoren 11, 12, 21, 22 auch im mechanischen Sinne parallel angeordnet sein müssen. Vielmehr können z.B. der erste Teilmotor 11 und der zweite Teilmotor 12 hintereinander auf eine Antriebswelle wirken (siehe z.B.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in
Es ist auch möglich, dass mehr als zwei Teilmotoren 11, 12, 21. 22 in einem Teilsystem 10, 20 verwendet werden. Es ist dabei nicht zwingend, dass in jedem Teilsystem 10, 20 die gleiche Anzahl von Teilmotoren 11, 12, 21, 22 verwendet wird oder dass die Bauformen oder Leistungen der Teilmotoren 11, 12, 21, 22 identisch sind.It is also possible that more than two
Die Teilmotoren 11, 12, 21, 22 sind in grundsätzlich bekannter Weise als 3-Phasenmotoren ausgebildet. Wenn sich z.B. in einem dieser Teilmotoren 11, 12, 21, 22 oder einer anderen Einheit des Teilsystems 10, 20 ein Fehler ergibt, wird die Funktion des Flugzeugantriebes 30 beeinträchtigt, so dass ein Steuereingriff erforderlich werden kann.The
Wie im Folgenden näher erläutert wird (siehe
Im Betrieb können die zeitabhängigen Spannungs- und Stromverläufe der 3-Phasenmotoren 11, 12, 21, 22 mit dem an sich bekannten System der symmetrischen Komponenten beschrieben werden. Die Betriebscharakteristik eines elektrischen 3-Phasen-Antriebs kann nach dem Prinzip der symmetrischen Komponenten grundsätzlich durch ein Mitsystem, ein Gegensystem und ein Nullsystem ausgedrückt werden.During operation, the time-dependent voltage and current curves of the 3-
Die symmetrischen Komponenten gehen grundsätzlich davon aus, dass im fehlerfreien Betrieb nur das Mitsystem auftritt.The symmetrical components basically assume that only the positive sequence system occurs in error-free operation.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen, z.B. in den einzelnen Wicklungen eines Teilmotors 11, 12, 21, 22 oder in einem Leistungsteil der Wechselrichtervorrichtung 25, ist das Stromverhalten aber leicht asymmetrisch. Aus diesem Grund tritt in der Realität immer auch ein leichtes Gegensystem auf. Ein Nullsystem ist aber bei fehlerfreiem Betrieb nicht vorhanden.However, due to manufacturing tolerances, e.g. in the individual windings of a
Bei elektrischen Fehlern innerhalb eines Teilsystems 10, 20 sind die drei Phasen der Teilmotoren 11, 12, 21, 22 dabei unterschiedlich betroffen.In the event of electrical faults within a
Dies führt zu einem starken Anstieg des Gegensystems im Strom eines Teilmotors 11, 12, 21, 22.This leads to a strong increase in the negative phase sequence in the current of a
Wenn eine Regelung des Stroms in einem Teilmotor 11, 12, 21, 22 die Wirkung des Fehlers wenigstens teilweise kompensieren kann, so zeigt sich das Gegensystem dennoch im Spannungsverlauf der Teilmotoren 11, 12, 21, 22.If regulation of the current in a
Wie im Folgenden beschrieben wird, überwacht die Überwachungsvorrichtung 50 (z.B. ein Kleinrechner) mit einem Gegensystemüberwachungsmittel 51 kontinuierlich die Stromverläufe, die Spannungsverläufe und die Drehzahlen n der Teilmotoren 11, 12, 21, 22, um mindestens einen Parameter des Gegensystems zu ermitteln.As described below, the monitoring device 50 (e.g. a small computer) continuously monitors the current curves, the voltage curves and the speeds n of the
Weicht mindestens ein Parameter des Gegensystems während des Betriebes von einer vorbestimmten Bedingung ab, erkennt das Gegensystemüberwachungsmittel 51 darin einen Fehler und gibt ein entsprechendes Steuersignal S ab, das z.B. zur Abschaltung eines Teilmotors 11, 12, 21, 22 oder eines Teilsystems 10, 20 führen kann.If at least one parameter of the negative-sequence system deviates from a predetermined condition during operation, the negative-sequence system monitoring means 51 detects an error therein and emits a corresponding control signal S, which can lead, for example, to switching off a
Hier treiben drei Teilmotoren 11, 12, 21, die Teil eines Flugzeugantriebes 30 sind, gemeinsam einen Propeller an. Jeder Teilmotor 11, 12, 21 erhält 3-phasigen Drehstrom über Drehstromleitungen 27. Der Drehstrom wird von Wechselrichtervorrichtungen 25 erzeugt, die ihrerseits Gleichstrom über Gleichstromleitungen 26 erhalten. Jedem Teilmotor 11, 12, 21 ist eine Wechselrichtervorrichtung 25 zugeordnet. Eine Wechselrichtervorrichtung 25 und ein Teilmotor 11 bilden jeweils ein Teilsystem 10, das hier durch einen gestrichelten Kasten dargestellt ist.Here three
Somit zeigt die
Ist der Teilmotor 11, 12, 21, 22 als Dauermagnetmotor (permanenterregter Synchronmotor) oder als Reluktanzmotor ausgeführt, kann eine spezielle Filterung der Stromdaten oder Spannungsdaten des Gegensystems durchgeführt werden, um zusätzlich zu einem elektrischen Fehler eine falsch gemessene oder falsch berechnete Drehzahl festzustellen.If the sub-motor 11, 12, 21, 22 is designed as a permanent magnet motor (permanently excited synchronous motor) or as a reluctance motor, the current data or voltage data of the negative sequence system can be specially filtered in order to determine an incorrectly measured or incorrectly calculated speed in addition to an electrical error.
In der
Eingangsgrößen sind zeitabhängige Spannungsdaten U_N_1(t), U_N_2(t), U_N_3(t) eines Teilmotors 11, 12, 21, 22. Hier werden die Spannungsgrößen der drei Phasen VL1, VL2 und VL3 entsprechend der symmetrischen Komponenten verarbeitet.Input variables are time-dependent voltage data U_N_1(t), U_N_2(t), U_N_3(t) of a sub-motor 11, 12, 21, 22. Here the voltage values of the three phases VL1 , VL2 and VL3 are processed according to the symmetrical components.
Im Folgenden wird auf einzelne Schritte in dem Signalflussplan eingegangen, die mit römischen Ziffern bezeichnet werden. Die Abfolge der Ziffern entspricht dabei nicht einer zeitlichen Abfolge; diese ergibt sich aus
Bei Schritt I werden die Phasenspannungen aus den Leiter-Leiterspannungen ermittelt. Im nachfolgenden Schritt II erfolgt dann eine Ermittlung der α- und β-Komponenten des rotierenden Spannungszeigers.In step I, the phase voltages are determined from the line-to-line voltages. In the subsequent step II, the α and β components of the rotating voltage vector are then determined.
Eingangsgrößen sind auch zeitabhängige Stromdaten 11, 12, 13. In Schritt III werden - analog zu Schritt II - die α- und β- Komponenten des rotierenden Stromzeigers bestimmt.Input variables are also time-dependent
In Schritt IV (in
In Schritt VI (in
Im Schritt VIII wird dann der Betrag des verbleibenden Spannungszeigers ermittelt, der dem Gegensystemzeiger für die Spannung entspricht.Step VIII then determines the magnitude of the remaining voltage phasor, which corresponds to the negative sequence sequence phasor for the voltage.
Im Schritt IX wird der Betrag des verbleibenden Stromzeigers ermittelt, der dem Gegensystemzeiger für den Strom entspricht.In step IX, the magnitude of the remaining current pointer, which corresponds to the negative sequence pointer for the current, is determined.
In Schritt X erfolgt schließlich die Abfrage des Grenzwertes für den Betrag des Gegensystemzeigers der Spannung.Finally, in step X, the limit value for the absolute value of the negative phase sequence vector of the voltage is queried.
In Schritt XI erfolgt schließlich die Abfrage des Grenzwertes für den Betrag des Gegensystemzeigers des Stroms.Finally, in step XI, the limit value for the absolute value of the negative sequence vector of the current is queried.
Weitere Eingangsgrößen (in
In Schritt XIII (in
In Schritt XIV (in
Schließlich erfolgt in Schritt XV die Abfrage des Grenzwertes für den gefilterten Gegensystemzeiger des Stroms zur Detektion einer fehlerhaften Drehzahlmessung. Finally, in step XV, the limit value for the filtered negative phase sequence vector of the current is queried to detect an incorrect speed measurement.
Wenn eine Abweichung von der vorbekannten Bedingung vorliegt, z.B. ein Unter- oder Überschreiten eines Grenzwertes, wird jeweils ein Steuersignal Sn, Sl ausgelöst. Das Steuersignal Sn basiert dann auf der Abweichung der drehzahlbasierten Daten, das Steuersignal SI basiert auf den strombasierten Daten.If there is a deviation from the previously known condition, for example if a limit value is not reached or exceeded, a control signal S n , S 1 is triggered in each case. The control signal S n is then based on the deviation of the speed-based data, and the control signal S I is based on the current-based data.
In analoger Weise wird mit den spannungsbasierten Daten im Schritt I verfahren, so dass auch dort ein Vergleich mit einer vorgegebenen Bedingung durchgeführt wird. In Abhängigkeit vom Vergleich wird dann ein Steuersignal Su erzeugt.The procedure with the voltage-based data in step I is analogous, so that a comparison with a predetermined condition is also carried out there. A control signal Su is then generated as a function of the comparison.
Jedes einzelne Steuersignal Sn, SU, SI kann einzeln oder in Kombination mit anderen als Steuersignal S (siehe
In
Dabei ist in der vorletzten Zeile „Fehler Aktivierung“ ein periodisch auftretender Fehler in Form eines Rechtecksignals dargestellt.A periodically occurring error is shown in the penultimate line "Error activation" in the form of a square-wave signal.
In den oberen drei Zeilen sind die „Drehzahl“, die „Phase der Spannungen“ und die „Phase der Ströme“ dargestellt.In the top three lines, the "speed", the "phase of the voltages" and the "phase of the currents" are shown.
In der untersten Zeile „Gegensystem Strom“ kann man die Auswirkung des Fehlers erkennen, wobei der Effekt auf Grund der Skalierung nicht so deutlich zu erkennen ist. Daher wird in der oben rechts eingeblendeten Vergrößerung deutlich, in welcher Weise sich das Gegensystem auf Grund des Fehlers verändert.The effect of the error can be seen in the bottom line "Negative phase sequence current", although the effect is not so clearly visible due to the scaling. Therefore, in the enlargement displayed at the top right, it becomes clear how the negative sequence system changes due to the error.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- erstes Teilsystemfirst subsystem
- 1111
- erster Teilmotorfirst sub engine
- 1212
- zweiter Teilmotorsecond sub engine
- 2121
- dritter Teilmotorthird sub engine
- 2222
- vierter Teilmotorfourth sub engine
- 2525
- Wechselrichtervorrichtunginverter device
- 2626
- Gleichstromleitungdirect current line
- 2727
- Drehstromleitung, 3-phasiges Drehstromsystem Three-phase line, 3-phase system
- 2020
- zweites Teilsystem second subsystem
- 3030
- Flugzeugantrieb (electrical propulsion unit) Aircraft propulsion (electrical propulsion unit)
- 5050
- Überwachungsvorrichtungmonitoring device
- 5151
- Gegensystemüberwachungsmittel negative sequence monitor means
- 100100
- elektrisches Antriebssystem electric drive system
- SS
- Steuersignal im Fehlerfallcontrol signal in the event of an error
Claims (5)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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R082 | Change of representative |