DE102022119945B3

DE102022119945B3 - Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses und Steuereinheit

Info

Publication number: DE102022119945B3
Application number: DE102022119945.2A
Authority: DE
Inventors: Sanjeet Kumar Dwivedi; Thiruvenkadam Madhulingam; Anandarao Bongu
Original assignee: Danfoss Power Electronics AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2042-08-09
Also published as: US20240045000A1; CN117538744A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses in einer Wicklung eines Elektromotors, der durch einen Antrieb angetrieben wird, wobei das Verfahren Messen jeweiliger Phasenströme der Wicklungen, Transformieren der Phasenströme in negative Sequenzkomponenten und Vergleichen der negativen Sequenzkomponenten mit jeweiligen Baseline-Werten umfasst. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Steuereinheit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses in einer Wicklung eines Elektromotors, der durch einen Antrieb angetriebenen wird, und eine entsprechende Steuerschaltung.
Elektromotoren werden zum Antreiben vieler verschiedener Anwendungen verwendet. Sie umfassen in der Regel mehrere Wicklungen, die mit elektrischem Strom geladen werden, um eine rotierende Einrichtung anzutreiben. Steuereinheiten werden in der Regel dazu verwendet, solche Elektromotoren zu steuern und/oder anzutreiben.
Das Dokument CN 1 05 487 012 A offenbart ein Verfahren für intelligente Fehlerdiagnose bei einem Asynchronmotor, welcher mit variabler Frequenz angesteuert wird.
Das Dokument WO 2021 / 166 042 A1 offenbart ein Diagnosegerät für einen Permanentmagneterregten Synchronmotor, wobei das Diagnosegerät einen Rückwärtsphasenberechner aufweist, welcher einen Rückwärtsphasenstrom auf der Basis einer Stromstärke einer Mehrzahl von Phasen berechnet, und eine Verschlechterungsdiagnosevorrichtung aufweist, welche basierend auf dem Rückwärtsphasenstrom eine Verschlechterung eines Gleitlagers berechnet.
Das Dokument CN 1 11 917 349 B offenbart ein Fehlerdiagnoseverfahren für einen Permanentmagneterregten Synchronmotor sowie ein zugehöriges System.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses in einer Wicklung eines Elektromotors bereitzustellen und eine entsprechende Steuereinheit bereitzustellen. Dies wird durch ein Verfahren und eine Steuereinheit nach den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen können aus dem jeweiligen abhängigen Ansprüchen abgeleitet werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses, insbesondere eines Windungsschlusses, in einer Wicklung eines Elektromotors, insbesondere eines Mehrphasen-AC-Elektromotors, der durch einen Antrieb angetrieben wird. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Messen jeweiliger Phasenströme der Wicklungen,
- Transformieren der Phasenströme in negative Sequenzkomponenten,
- Vergleichen der negativen Sequenzkomponenten mit jeweiligen Baseline-Werten und
- Detektieren eines Kurzschlusses, wenn die negativen Sequenzkomponenten um mehr als eine jeweilige absolute oder relative Schwelle von dem jeweiligen Baseline-Wert abweichen.

Es wurde gezeigt, dass das Verfahren eine einfache und zuverlässige Weise zum Detektieren eines Kurzschlusses in einer Wicklung eines Elektromotors bereitstellt. Dies lässt sich insbesondere zur Erhöhung der Sicherheit während des Betriebs verwenden, da ein Kurzschluss in einer Wicklung in der Regel detektiert wird, bevor er Probleme verursacht, beispielsweise aufgrund erhöhter Wärmeerzeugung, insbesondere aufgrund der Ausbildung eines Hitzepunkts und/oder eines anschließenden Ausfalls des Motors.
Das Verfahren kann zum Detektieren eines Kurzschlusses in einer Wicklung einer beliebigen Phase des Elektromotors verwendet werden.
Ein Kurzschluss ist insbesondere ein Ereignis, bei dem Strom entlang eines Pfads fließt, entlang dessen er nicht fließen sollte, insbesondere da der Pfad isoliert ist. Insbesondere kann ein Kurzschluss zwischen zwei Wicklungen vorliegen. In der Regel kann jede Wicklung separat mit elektrischem Strom geladen werden. Dies kann verwendet werden, um den Elektromotor auf die gewünschte Weise anzutreiben. Eine Transformation in negative Niederfrequenzkomponenten kann insbesondere durch eine geeignete Transformation erfolgen, z. B. eine Fourier-Transformation, wie beispielsweise weiter unten erläutert. Die negativen Sequenzkomponenten stellen eine geeignete Angabe des Vorliegens eines Kurzschlusses bereit. Die Baseline-Werte können so eingestellt werden, dass sie typischen negativen Sequenzkomponenten eines Elektromotors, der keinen Kurzschluss aufweist, entsprechen. Liegt ein Kurzschluss vor, so weichen die negativen Sequenzkomponenten signifikant von diesen Baseline-Werten ab. Dies lässt sich durch den beschriebenen Vergleich zwischen den Baseline-Werten und den negativen Sequenzkomponenten detektieren. Eine absolute oder eine relative Schwelle kann verwendet werden. Insbesondere kann ein jeweiliger Baseline-Wert separat für jede negative Sequenzkomponente eingestellt werden. Dies schließt nicht aus, dass die Baseline-Werte gleich sein können.
Das Transformieren der Phasenströme in negative Sequenzkomponenten kann insbesondere unter Verwendung eines rotierenden Bezugssystems durchgeführt werden.
Dieses rotierende Bezugssystem kann insbesondere mit einer Ausgangsfrequenz des Antriebs rotieren. Die Ausgangsfrequenz kann insbesondere eine Frequenz sein, mit der die Wicklungen nacheinander mit elektrischem Strom geladen werden. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung dieser Ausgangsfrequenz für ein rotierendes Bezugssystem gute Ergebnisse für die negativen Sequenzkomponenten zum Zweck der Kurzschlussdetektion liefert.
Insbesondere können die Baseline-Werte in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz gegeben sein. Dies ermöglicht separate Baseline-Werte für unterschiedliche Ausgangsfrequenzen. Beispielsweise kann eine Tabelle verwendet werden, die unterschiedliche Ausgangsfrequenzen mit unterschiedlichen Baseline-Werten verknüpft. Alternativ kann eine mathematische Formel zu diesem Zweck verwendet werden.
Eine negative Sequenzkomponente kann einer Stromkomponente oder Oberschwingungen entsprechen, die in entgegengesetzter Richtung zu einem rotierenden Hauptmagnetfeld in einem Luftzwischenraum des Motors rotieren. Eine solche Stromkomponente oder solche Oberschwingungen weisen in der Regel Werte auf, die sich von Baseline-Werten, die einem Nicht-Fehlerzustand entsprechen, unterscheiden, wenn ein Kurzschluss auftritt.
Insbesondere kann das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfassen:

- Messen einer DC-Zwischenkreisspannung.

Diese DC-Zwischenkreisspannung kann verwendet werden, um die Berechnung weiter zu verbessern und um die Zuverlässigkeit der Kurzschlussdetektion zu erhöhen. Beispiele werden nachstehend bereitgestellt.
Die DC-Zwischenkreisspannung kann an gleichgerichteten Ausgangsspannungen und/oder an Verbindungspunkten zwischen jeweiligen Dioden gemessen werden. Dies entspricht einer typischen Implementierung eines Antriebs, in dem die DC-Zwischenkreisspannung gemessen werden kann.
Das Verfahren kann ferner die folgenden Schritte umfassen:

- Transformieren der DC-Zwischenkreisspannung in ein Bezugssystem, das mit einer Bezugssystemrate, insbesondere mit einer synchronen Bezugssystemrate, rotiert und
- Erhalten einer Resonanzsignatur durch Berechnen eines Quadratwurzelbetrags der DC-Zwischenkreisspannung in dem Bezugssystem, insbesondere nach Transformation in dem Bezugssystem.

Eine solche Resonanzsignatur kann zur weiteren Auswertung verwendet werden. Insbesondere kann eine Tiefpassfilterung vor dem Transformieren der DC-Zwischenkreisspannung in dem Bezugssystem durchgeführt werden.
Insbesondere kann die DC-Zwischenkreisspannung in dem Bezugssystem durch ein Tiefpassfilter geleitet werden, bevor ein Quadratwurzelbetrag berechnet wird. Dies kann verwendet werden, um die DC-Zwischenkreisspannung, insbesondere eine DC-Zwischenkreisspannung-Resonanzsignatur, zu glätten.
Das Bezugssystem kann insbesondere mit einer Ausgangsfrequenz des Antriebs, multipliziert mit einem durch 2/n gegebenen Wert, wobei n eine ganze Zahl ist, rotieren. Insbesondere kann n ein ganzzahliger Wert einer maximalen Ausgangsfrequenz dividiert durch eine Netzfrequenz sein.
Die Detektion eines Kurzschlusses kann insbesondere pausiert werden, während eine Netzunausgeglichenheit detektiert wird, insbesondere durch Detektieren des Vorliegens von Oberschwingungen in der Resonanzsignatur. Solche Oberschwingungen in einer Resonanzsignatur geben in der Regel einen Zustand an, in dem keine zuverlässige Kurzschlussdetektion möglich ist.
Ein Kurzschluss kann auch detektiert werden, wenn der Antrieb in einem Resonanzband arbeitet und keine Netzunausgeglichenheit basierend auf der Resonanzsignatur detektiert wird. Es hat sich gezeigt, dass, wenn der Antrieb in einem Resonanzband ohne Erzeugung einer Netzunausgeglichenheit arbeitet, dies ein Hinweis auf einen Kurzschluss ist. Eine Netzunausgeglichenheit kann auch als Unausgeglichenheit der Netzversorgungsspannung bezeichnet werden.
Jedes Resonanzband kann um eine Stromnetzfrequenz multipliziert mit einer ganzen Zahl definiert sein.
Die Stromnetzfrequenz kann insbesondere eine Frequenz eines Wechselstroms sein, der den Antrieb versorgt, insbesondere den Antrieb mit Eingangsleistung versorgt. Arbeitet der Antrieb in einem Resonanzband um einen solchen durch die Stromnetzfrequenz multipliziert mit einer ganzen Zahl gegebenen Wert, so zeigt ein Elektromotor in der Regel eine Netzunausgeglichenheit. Tritt eine solche Netzunausgeglichenheit nicht auf, so ist dies ein Hinweis auf einen Kurzschluss.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinheit für einen Elektromotor, wobei die Steuereinheit zum Durchführen eines wie hier offenbarten Verfahrens ausgelegt ist. Hinsichtlich des Verfahrens können alle Ausführungsformen und Variationen angewendet werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein nicht greifbares computerlesbares Speichermedium, das Anweisungen umfasst, die bewirken, dass ein Prozessor ein wie hier offenbartes Verfahren durchführt. Hinsichtlich des Verfahrens können alle Ausführungsformen und Variationen angewendet werden.
Insbesondere wird hier ein Verfahren zum Detektieren eines frühen Statorwicklungswindungsschlussfehlers, insbesondere in Mehrphasen-AC-Motoren, vorgeschlagen.
beispielsweise kann ein Elektromotor als Oberflächenpermanentmagnet-Synchronmotor (SPMSM), Innenpermanentmagnet-Synchronmotor (IPMSM), Synchronreluktanzmotor (SynRM) oder Asynchronmotor (ASM) umgesetzt sein. Das Verfahren erfordert keinen zusätzlichen Sensor, es kann eine gemessene DC-Zwischenkreisspannung und/oder Motorströme durch Spannungs-/Stromsensoren verwenden, die in der Regel bereits in VFDs (Variable Frequency Drives - Antriebe mit variabler Frequenz) oder Antrieben verfügbar sind, und diese Sensoren sind in der Regel ausreichend, um Informationen über Statorwicklungswindungsschlussfehler der AC-Motoren zu erfassen.
Es wird ein Verfahren zum Überwachen der Isolierungsbedingung der Statorwicklung des Mehrphasen-AC-Motors vorgeschlagen. Es diagnostiziert schwache Isolierungsbedingungen und gleichzeitig ist der Algorithmus robust genug, dass er keinen Fehlalarm während einer stringenten Bedingung wie einer schwachen Netzbedingung erzeugt. Die Unausgeglichenheitsspannung oder schwache Netzbedingung kann eine ähnliche Fehlersignatur erzeugen, wie sie während einer Statorwicklungswindungsschlussbedingung erzeugt wird. Dies kann insbesondere aufgrund der Tatsache auftreten, dass eine unausgeglichene Netzbedingung ungleiche Spannungen an unterschiedlichen Phasenwicklungen einer AC-Maschine erzeugt. Diese Unausgeglichenheit der Spannung verursacht selbst in der gesunden Bedingung der Statorwicklungsisolierung eine Fehlersignatur. Das vorgeschlagene Verfahren oder der vorgeschlagene Algorithmus detektiert die Netzunausgeglichenheitsbedingung durch Überwachen von an den Motor angelegten Spannungen und/oder Strömen.
Das Verfahren kann im Übermodulations- und im tiefen Feldschwächbetriebsbereich gleichermaßen effektiv sein. Ein Algorithmus kann verwendet werden, um symmetrische Spannungs- und Stromkomponenten zu zerlegen, und Ströme und Spannungen der Phase „u“, der Phase „v“ und der Phase „w“ können verwendet werden, um negative und positive Sequenzkomponenten von Strom und Spannungen zu bestimmen. Dies gewährleistet eine genaue und zuverlässige Detektion von Statorwicklungsphasenwindungsschlussfehlern.
Das Verfahren kann insbesondere auf einem Algorithmus basieren, der Tiefpassfilter mit fester Zeitkonstante nutzt. Diese Filter sind effektiv und werden zur genauen Bestimmung von Statorwicklungsphasenwindungsschlussfehlern auf positive und negative Sequenzkomponenten von Strom und Spannung angewendet.
Das vorgeschlagene Verfahren detektiert Sequenzkomponenten, die während eines Statorphasenwindungsschlussfehlers erzeugt werden. Eine Bezugssystemtransformation kann verwendet werden, um negative und positive Sequenzkomponenten von Statorwicklungsströmen und Statorphasenspannungen herauszufiltern.
Der Betrag eines Statorwicklungsphasenwindungsschlussfehlers ist in der Regel direkt proportional zu der Anzahl von Windungen, die an dem Kurzschluss beteiligt sind, und dieser Fehlersignaturbetrag ist möglicherweise lediglich ein Bruchteil des Volllastnennstroms des Motors. Die Fehlersignatur wird in der Regel in Prozent eines Nennstroms eines Motors ausgedrückt.
Die Integrität der Statorwicklungsisolierung wird in der Regel durch Vergleichen negativer Sequenzkomponenten eines Statorstroms mit dessen Baseline-Werten (der negativen Sequenzkomponente eines bei Inbetriebnahme des Antriebs gemessenen Stroms) überwacht. Das Spektrum von Grund- und Oberschwingungskomponenten eines Stromvektors, der negative Sequenzkomponenten enthält, kann signifikant sein. Der vorgeschlagene Algorithmus kann die negativen Sequenzkomponenten, die in dem Motorwicklungsstrom während Windungsschlussfehlern der Statorisolierung erzeugt werden, durch Transformieren gemessener Ströme in ein auf Negativrichtungssynchrondrehzahl fixiertes Bezugssystem (-WsRef) detektieren.
Die Transformation in ein Negativrichtungssynchronsystem führt zu Negativsequenz-Oberschwingungen und kann in einen DC-Teil transformiert werden, wie weiter unten gezeigt. Geeignete Niedrigbandbreiten-Tiefpassfilter können verwendet werden, um negative Sequenzkomponenten aus positiven Sequenzkomponenten und anderen Oberschwingungskomponenten des Stroms herauszufiltern.
Eine schwache Netzbedingung oder eine Unausgeglichenheit der Hauptversorgungsspannung kann auch zu negativen Sequenzkomponenten eines Motors führen, was als Indikator einer Zustandsverschlechterung der Statorwicklungsisolierung verwendet werden kann. Dieses Phänomen kann ausgeprägt sein, sobald die Netzfrequenz (Wgrid) exakt gleich der Frequenz des rotierenden Statorfelds (WsRef), oder eines seiner ganzzahligen Vielfachen, ist und der Motor mit einer Last verbunden ist. Der Arbeitspunkt kann eine Resonanz in Motorstrom und -spannung erzeugen. Somit kann dies eine neue Herausforderung für die Zustandsüberwachung der Statorwicklungsisolierung darstellen. In diesem Algorithmus wird ein neues Verfahren vorgeschlagen, das Niederfrequenzkomponenten von Antriebsausgangsspannungen und Sequenzkomponenten eines Motorwicklungsstroms nutzt, um von negativen Sequenzkomponenten eines Stroms, die durch ein Netz oder einen Kurzschluss von Statorwicklungsphasenwindungen erzeugt werden, zu differenzieren.
Insbesondere können integrierte Strom- und Spannungssensoren eines Antriebs verwendet werden.
Das Verfahren kann berechnete angelegte Motorspannung und gemessene Motorwicklungsströme durch Spannungs-/Stromsensoren, die in typischen Implementierungen bereits verfügbar sind, verwenden. Zustandsbasierte Informationen jeglicher Statorwicklungswindungsschlussfehler eines AC-Motors können bereitgestellt werden. Das Verfahren kann Niederfrequenzkomponenten verfügbarer elektrischer Signale überwachen, um den Zustand von Statorwicklungen von Mehrphasen-AC-Motoren zu überwachen. Das Verfahren ist robust gegenüber schwachen Netzbedingungen oder unausgeglichenen Netzspannungsbedingungen zum Erzeugen wahrer Warn- und Alarmsignale bezüglich des Statorwicklungsphasenwindungsschlussfehlers. Der Fehler ist unabhängig von dem Fortschrittsparameter des Mehrphasen-AC-Motors.
Im Folgenden werden grundlegende Schritte beschrieben, um von einer Messung von drei Wicklungsströmen ias, ibs und ics zu einer tatsächlichen Kurzschlussdetektion zu gelangen.
In einem ersten Schritt werden drei Phasenströme durch in dem Antrieb oder der Steuereinheit integrierte Stromsensoren gemessen. Die DC-Zwischenkreisspannung wird ebenfalls gemessen. Die DC-Zwischenkreisspannung wird insbesondere an einer gleichgerichteten Ausgabe einer Versorgung mit fester Spannung und fester Frequenz gemessen.
In einem zweiten Schritt werden die drei Phasenströme mithilfe eines rotierenden Bezugssystems, das mit einer Ausgangsfrequenz des Antriebs rotiert wird, in negative und positive symmetrische Sequenzkomponenten transformiert
Komponenten Ineg und Ipos sind Werte symmetrischer Komponenten für die drei Phasenströme, und der Betrag von Ineg-Werten zeigt eine Unausgeglichenheit des Stroms und eine Angabe des Statorwicklungswindungsschlussfehlers. Diese Werte werden im vorliegenden Fall nicht unter Verwendung von FFT (schnelle Fourier-Transformation) berechnet, stattdessen verwendet der Algorithmus die Bezugssystemtransformationstechnik.
In einem dritten Schritt wird die DC-Zwischenkreisspannung in ein neues Bezugssystem transformiert, das mit der Rate proportional zu einem Faktor von kTransform und der Ausgangsfrequenz des Antriebs rotiert. Die Ausgabe dieser Transformation wird durch ein Tiefpassfilter geleitet und ein Quadratwurzelbetrag einer Quadraturkomponente (Vx und Vy) wird als Resonanzsignatur erhalten.
Die Bezugstransformation kann gemäß einem ganzzahligen Verhältnis der maximalen Frequenz des Wechselrichters zu der Netzfrequenz erfolgen.
Die Bezugssystemtransformation kann basierend auf dem Wert des Verhältnisses gemäß der folgenden Formel ausgeführt werden. $k = (2 / 1,2 / 2,2 / 3,2 / 4 \dots \dots 2 /n),$
wobei n= ganze Zahl von (foutMax/fgrid)

Für

(a)	0,52pifgrid =<WsRef=<1 ,52pifgrid,	k=2/1
(b)	1 ,52pifgrid <WsRef=<2,52pifgrid,	k=2/2
(c)	2,52pifgrid <WsRef=<3,52pifgrid,	k=2/3
(d)	3,52pifgrid <WsRef=<4,52pifgrid,	k=2/4
(e)	4,52pifgrid <WsRef=<5,52pifgrid,	k=2/5
(f)	5,52pifgrid <WsRef=<6,52pifgrid,	k=2/6

kTransform stellt den Multiplikationsfaktor bereit, der zum Definieren einer Drehzahl des Referenzinformationssystems verwendet wird.
WsRef ist in der Regel eine elektrische Winkelausgangsfrequenz des elektrischen Antriebs. Sie ist als elektrische Ausgangsfrequenz des Antriebs multipliziert mit 2 × π definiert. Mathematisch wird sie als (2 × π × fout) gezeigt.
k ist eine Konstante zum Bestimmen von kTransform. Ihr Wert kann durch k = kTransform gegeben sein.
In einem vierten Schritt werden die gesunden Überwachungs-Baseline-Werte für gemessene Sequenzkomponenten des Stroms überwacht und in dem Antrieb gespeichert.
Die Baseline-Werte können in dem %-Betrag der negativen Sequenzkomponente des Stroms Ineg gespeichert werden. Für unterschiedliche Ausgangsfrequenzen des Antriebs wird der „Ineg“-Wert berechnet und in der Lookup-Tabelle gespeichert. Beispielsweise kann „Ineg“ für einen 100-Hz-Bereich durch Betreiben des Antriebs bei 5 Hz, 10 Hz, 15 Hz, ... bis 100 Hz gespeichert werden, und I₁ bis I₂₀ sind gespeicherte Werte von „Ineg“ für einen gesunden Motor bei Inbetriebnahme. Eine mögliche Tabelle wird im Folgenden als Beispiel angegeben:
Jede Abweichung von der gesunden Amplitude einer negativen und positiven symmetrischen Sequenzkomponente des Stroms führt zu einer Information eines Kurzschlusses zwischen Windungen einer spezifischen Phase der Motorphasenwicklung.
Im Folgenden wird ein Algorithmus zum Erhalten eines Frequenzspektrums beschrieben.
In einem ersten Schritt werden symmetrische Komponenten unter Verwendung der von Park und Clarke beschriebenen Bezugssystemtheorie (DQ0-Transformation) berechnet.
In einem zweiten Schritt werden die drei Phasenausgangsströme, die DC-Zwischenkreisspannung und die Ausgangsfrequenz des Antriebs als Eingabe in diesen Algorithmus verwendet.
In einem dritten Schritt wird die negative Sequenzkomponente bestimmt, die in entgegengesetzter Richtung zu dem rotierenden Magnetfeld in dem Luftzwischenraum des Motors rotiert (z. B. 50 Hz in umgekehrter Magnetfeldrichtung, auch als -50 Hz dargestellt). Diese Komponente rotiert in der Rückwärtsrichtung und wird in der Bezugssystemtransformation somit durch eine negative Frequenz dargestellt.
Die negative Frequenz gibt im Hinblick auf ihre physikalische Bedeutung an, dass die spezielle symmetrische Oberschwingungskomponente in der entgegengesetzten Richtung zu dem rotierenden Hauptmagnetfeld in dem Luftzwischenraum eines Motors rotiert. Bei einem gesunden Motor mit ausgeglichener Wicklung und gleichermaßen gesunden Windungen in jeder Phase liegt keine negative Sequenzkomponente des Stroms vor. Jedoch tritt bei einem Windungsschlussfehler in einer der Statorwicklungen des Motors die Unausgeglichenheit des Stroms auf, und dies wird durch den erhöhten Betrag der negativen Sequenzkomponente in dem in der Motorwicklung fließenden Strom widergespiegelt.
Eine schwache Netzbedingung kann insbesondere so definiert sein, dass entweder (a) der Spannungsbetrag (muss im Ausgeglichenheitsfall gleich sein), oder (b) die Phasenwinkeldifferenz (muss im Ausgeglichenheitsfall 120° betragen) oder (c) sowohl der Spannungsbetrag als auch die Phasenwinkeldifferenz der Dreiphasenspannungsausgabe unausgeglichen ist.
In der Realität unterliegen die Leistungsübertragung und -verteilung ungewünschten Bedingungen, in denen eine gewisse Laststörung, Fehler, Fehlfunktionen von Schaltanlagen oder andere Faktoren den Betrag des Phasenwinkels der AC-Netzversorgungsspannung ändert. Dies wird als schwache Netzbedingung bezeichnet.
Die schwache Netzbedingung kann die symmetrische Stromkomponente des Motors beeinflussen, wenn die Ausgangsfrequenz des Antriebs sehr nahe (oder z. B. gleich innerhalb eines Bands von etwa 5 %) der Netzfrequenz (AC-Netzversorgungsspannungsfrequenz) liegt und das Netz schwach (oder unausgeglichen) ist. Diese Betriebsbedingung erzeugt die negative Sequenzkomponente des Stroms, obwohl kein Windungsschlussfehler in der Statorwicklung des Motors vorliegt. Sie kann eine falsch-positive Warnung oder einen falsch-positiven Alarm erzeugen.
Die DC-Zwischenkreisspannung mit Bezugssystemtransformation kann insbesondere spezifisch zum Bestimmen der Unausgeglichenheitsspannung des Netzes verwendet werden, wobei es sich um eine spezifische Form der „schwachen Netzbedingung“ handelt. Das Netzunausgeglichenheitsphänomen kann durch einen netzseitigen Fehler in einer beliebigen Phase oder beliebigen Phasen des Versorgungssystems oder aufgrund einer schwachen Netzbedingung ausgelöst werden.
Theoretisch ist ein schwaches Netz anfällig gegenüber Frequenzspannungsnetzunausgeglichenheit. Die Begriffe „Unausgeglichenheit der Netzversorgungsspannung“ und „schwache Netzbedingung“ werden in diesem Dokument verwendet, um die Bedingung einer Unausgeglichenheit der Netzspannung zu repräsentieren. Diese Begriffe reflektieren in diesem Dokument, dass der Spannungsbetrag und Phasenwinkel einer Versorgungsspannungswellenform entweder gleich in Betrag oder in Phase ist oder ungleich in Betrag oder Phasenwinkeldifferenz ist oder beides.
Somit kann eine Unausgeglichenheit der Netzversorgungsspannung als spezifische Form von schwacher Netzbedingung angesehen werden.
Zum Erhalten eines Zerlegungsalgorithmus können die drei Phasenausgangsströme des Motors und der Rotorpositionswinkel in den Alpha-Beta-zu-x-y-Transformationsblock (Park- und Clarke-Transformation) eingespeist werden, in dem diese drei Phasenströme in x- und y-Komponenten des negativen Sequenzstroms umgewandelt werden, wenn die Transformation in der negativen Richtung oder Rotation ausgeführt wird, oder mit negativem Rotationswinkel theta_r, und wenn die Transformation in der positiven Richtung ausgeführt wird mit positivem Rotationswinkel theta_r, dann werden x- und y-Komponenten von positiven Sequenzkomponenten des Stroms erhalten. Diese jeweiligen x- und y-Komponenten von negativen und positiven Sequenzkomponenten von Strömen werden durch ein Tiefpassfilter geleitet, um jegliches Rauschen mit niedriger Frequenz zu entfernen. Nach der Tiefpassfilterung stellen die Quadratwurzelkomponenten der x- und y-Ströme in der jeweiligen Rotationsrichtung den Ineg- und Ipos-Wert bereit (negative Richtung Ineg, positive Richtung Ipos).
Die primäre Funktion eines Antriebs besteht darin, die Drehzahl und das Drehmoment der mit ihm verbundenen Anwendung, beispielsweise eines Elektromotors, zu steuern. Somit können gemäß der Anforderung der Last die Motordrehzahl- und -drehmomentreferenz durch den Antrieb geändert werden. Während dieser Änderung kann ein Antrieb entweder sehr nahe oder mitunter exakt bei der Frequenz arbeiten, die das Doppelte der Netzfrequenz beträgt. Ist das Netz unausgeglichen, so löst dieser Arbeitspunkt eine Schwingung mit sehr niedriger Frequenz in dem Antriebsausgangsstrom aus. Dies ist als Resonanzphänomen bekannt.
Die Bedeutung des Ausdrucks die Frequenz des Antriebs fällt in das Antwortband bedeutet, dass der Antrieb bei einer gewissen Ausgangsfrequenz arbeitet, bei der die Ausgangsfrequenz des Antriebs gleich oder sehr nahe dem Doppelten der Netzfrequenz oder ganzzahligen Vielfachen davon ist, wodurch die Resonanz ausgelöst wird.
Im Folgenden wird beschrieben, wie ein Resonanzband bestimmt wird.
Es wurde beobachtet, dass sich der Motor, wenn eine Antriebsausgangsfrequenz gleich oder sehr nahe dem Doppelten einer Netzfrequenz ist, im Resonanzband befinden kann. Die Ausgangsfrequenz des Antriebs wird also auf Übereinstimmung mit oder Nähe zu dem Doppelten einer Standardversorgungsfrequenz überwacht, die beispielsweise entweder 50 Hz oder 60 Hz betragen kann. Je nach regionalen Gegebenheiten kann das Resonanzband als 1,05*fgrid*n bis 0,95*fgrid*n bestimmt sein, wobei n eine Variable ist (n = 1, 2, 3, ..., bis zu ganzer Zahl von (foutMax/fgrid) (foutMax = maximale Ausgangsfrequenz, fgrid = Netzfrequenz)), fgrid in der Regel entweder 50 Hz oder 60 Hz beträgt. Der Algorithmus kann prüfen, ob ein Motor im Resonanzband arbeitet und dann, wie weiter unten mit Bezug auf 4 beschrieben, Vdc2f berechnen, um zu bestimmen, ob eine Resonanz vorliegt. Das Berechnungsverfahren von Vdc2f und die Resonanzflagantwort sind in 8a bzw. 8b gezeigt.
Der hier beschriebene Prozess zum Bestimmen eines Windungsschlussfehlers kann insbesondere verwendet werden, wenn der Antrieb nicht im Resonanzband betrieben wird. Darüber hinaus kann ein Windungsschlussfehler bestimmt werden, falls der Antrieb im Resonanzband betrieben wird und keine Unausgeglichenheit der Netzversorgungsspannungsbedingung detektiert wird.
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben.

1: zeigt einen Elektromotor und eine Steuereinheit,
2: zeigt ein Frequenzspektrum.
3: zeigt ein weiteres Frequenzspektrum,
4: zeigt ein Flussdiagramm,
5: zeigt erste Signalverarbeitungsentitäten,
6: zeigt zweite Signalverarbeitungsentitäten,
7: zeigt dritte Signalverarbeitungsentitäten und
8: zeigt eine Vdc2f-Berechnung und eine entsprechende Flagantwort.

1 zeigt schematisch eine Steuereinheit 10 und einen verbundenen Elektromotor 20. Der Motor 20 hat drei Phasen u, v, w, die mit der Steuereinheit 10 verbunden sind. Die Phasen sind an einem zentralen Punkt miteinander verbunden. Die Steuereinheit 10 ist in der Regel ausgelegt zum Liefern elektrischer Leistung an den Elektromotor 20 und außerdem zum Durchführen gewisser Steuerungs- und Überwachungsfunktionen.
Wenn ein Motor mit der Steuereinheit 10 verbunden ist, oder zu einem beliebigen anderen Zeitpunkt, wenn es erforderlich ist, kann die Steuereinheit 10 ein wie hier beschriebenes Verfahren durchführen.
2 zeigt einen ASM-Statorwicklungswindungsschlussfehler und ein erzeugtes Oberschwingungsspektrum. Es ist zu sehen, dass negative Frequenzkomponenten vorliegen, die im vorliegenden Fall durch den nach oben zeigenden Pfeil am linken Ende der horizontalen Achse dargestellt werden. Dies kann verwendet werden, um einen Kurzschlussfehlerzu bestimmen.
3 zeigt negative Sequenzkomponenten und Drittoberschwingungskomponenten eines Statorwicklungsstroms auf 0 Hz und -4 f transformiert. Außerdem liegen negative Sequenzkomponenten vor. Außerdem liegen Komponenten bei 0 Hz vor.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines typischen Prozesses, der im Folgenden beschrieben wird.
Der Block 1 initialisiert die vorgeschlagene Bedingungsüberwachungsfunktion.
Block 2 stellt die Schwellengrenze zum Detektieren eines Statorwicklungswindungsschlussfehlers ein.
Block 3 des in 4 gezeigten Flussdiagramms tastet drei Phasenwicklungsströme Isu, Isv, Isw des Motors, eine DC-Zwischenkreisspannung, Tastgrade d_u, d_v, d_w der Spannung der Phase u, Phase v und Phase w und eine Ausgangsfrequenz des Antriebs ab.
Block 4 transformiert diese Wicklungsströme und Spannungen in Niederfrequenzkomponenten von Spannung und Strom und berechnet negative Sequenzkomponenten von Strom und Signal, die einer unausgeglichenen oder schwachen Netzbedingung Vdc2f entsprechen.
Block 5 bestimmt, ob eine Antriebsausgangsfrequenz im Resonanzband liegt. Wie in dem Flussdiagramm von 4 gezeigt, entscheidet dieser Block, ob die Ausgangsfrequenz WsRef des Antriebs in das Resonanzband fällt (Netzfrequenz nahe Ausgangsfrequenz des Antriebs, Wgrid=WsRef). Liegt die Ausgangsfrequenz des Antriebs außerhalb des Resonanzbands, so weiß der Antrieb, dass keinen Einfluss des Netzes auf das Statorwicklungsüberwachungssignal vorliegt, wie Block 7 gezeigt, das Netzresonanzflag wird auf null gesetzt.
Block 6 wird aktiviert, wenn die Antriebsausgangsfrequenz im Resonanzband oder einem vordefinierten Frequenzband liegt. Nun überwacht der Antrieb ein Netzresonanzindikatorsignal Vdc2f, und wenn es kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, bestimmt der Antrieb erneut, dass eine Netzbedingung das Statorwicklungsüberwachungssignal nicht beeinflusst. Ist diese Bedingung wahr, so wird sie dann in Block 8 verwendet, um anzugeben, dass der Antrieb keine Statorwicklungswarnung und keinen Statorwicklungsalarm erzeugen sollte, da Falsch-Positive aufgrund der unausgeglichenen Netzbedingung erzeugt werden können.
Block 9 wird im Fall einer positiven Logikentscheidung von Block 6 aktiviert, und der Antrieb bestimmt nun, dass das Netz gesund ist oder der Arbeitspunkt des Antriebs außerhalb eines Frequenzbereichs liegt, in dem das Netz das Statorwicklungsüberwachungssignal beeinflussen kann, und in diesem Fall können keine falsche Warnung und kein falscher Alarm durch den Antrieb erzeugt werden.
Block 10 bestimmt, ob eine Antriebsausgangsfrequenz im Resonanzband liegt und ob das Resonanzflag gesetzt ist, d. h. eine Resonanz aufgetreten ist, dann werden Statorwicklungssignalüberwachungszeitzähler auf 0 zurückgesetzt, wie in Block 12 gezeigt, um falsch-positive Warnungen und Alarme zu vermeiden.
Block 11 zählt eine Zeitdauer für ein Warn- und Alarmsignal, wenn keine Resonanzbedingung vorliegt und das Statorwicklungsüberwachungssignal höher als die Schwellengrenze für Warnung oder Alarme ist.
In dem Prozess in Block 11 wird ein Statusflag für Warnstufe 1, Warnstufe 2 oder Alarm erzeugt, falls Statorwicklungsfehler auftreten, Fehlersignaturen eine Schwelle überschreiten oder der Betrag und die Zeitdauer dieser Fehler einen vorprogrammierten Zählerwert überschreiten. Blockdiagramme von Verfahren, die zum Extrahieren negativer und positiver Sequenzkomponenten von Strom und Spannung verwendet werden, sind in 5 bis 7 gezeigt. Der Prozess nutzt einfache Tiefpassfilter zum Herausfiltern hoher Frequenzkomponenten aus transformierten negativen und positiven x- und y-Sequenzkomponenten von Strömen und negativen Sequenzkomponenten von Spannungen. Insbesondere kann der in diesen Figuren und der folgenden Beschreibung gezeigte Prozess verwendet werden, um Sequenzkomponenten zu extrahieren, wie hier an anderer Stelle erwähnt.
8a zeigt das Blockdiagramm des Verfahrens zum Berechnen von Vdc2f aus der DC-Zwischenkreisspannung Vdc und unter Verwendung der Ausgangsfrequenz des Antriebs zur Bezugssystemtransformation. Die entsprechende 8b zeigt, dass das Resonanzflag erzeugt wird, wenn der Antrieb im Resonanzband arbeitet und das Netz unausgeglichen ist, d. h. ein Arbeiten bei 750 min^-1 (es handelt sich um einen 8-Pol-Motor) entspricht einer Ausgangsfrequenz des Motors von 50 Hz. Das Diagramm von 8b wurde mit einer Unausgeglichenheit von 3 % in dem Netz erstellt, die Drehzahl wurde in wiederholten Schritten mit 50 % Last von 750 min^-1 auf 760 min^-1 und zurück auf 740 min^-1 geändert.
Die Verarbeitung beginnt mit einer Alpha-Beta-zu-x-y-Transformation von Strömen oder Spannungen V für die jeweiligen Phasen u, v, w. Bezüglich der Ströme werden negative Sequenzkomponenten Isxneg, Isyneg (5) und positive Sequenzkomponenten Isxpos, Isypos (6) für die Achsen x, y berechnet. Bezüglich der Spannungen werden negative Sequenzkomponenten Vsxxneg, Vsyneg für die Achsen x, y berechnet. Die jeweiligen Werte werden tiefpass(LP)-gefiltert und einer Berechnung der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der jeweiligen x- und y-Komponenten unterzogen. Die Ergebnisse sind negative Frequenzkomponenten Ineg des Stroms, positive Sequenzkomponenten Ipos des Stroms und negative Sequenzkomponenten Vneg der Spannung.
Der vorgeschlagene Algorithmus funktioniert sowohl während normaler Netzbedingungen als auch im Fall eines schwachen Netzes (unausgeglichene Netzspannungsbedingung). Der Algorithmus kann eine Detektion von Statorwicklungswindungsschlussfehlern für ASM, PMSM und SynRM durchführen. Der Algorithmus kann zwischen gesunden und fehlerhaften Statorwicklungen mit sowohl unausgeglichener als auch ausgeglichener Netzbedingung unterscheiden.
Der vorgeschlagene Algorithmus wurde durch Versuche und Beobachtung verifiziert.
Bezugszeichenliste

10: Steuereinheit
20: Elektromotor
u, v, w: Phasen

Claims

Verfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses in einer Wicklung (u, v, w) eines Elektromotors (20), der durch einen Antrieb angetrieben wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Messen jeweiliger Phasenströme der Wicklungen (u, v, w), - Transformieren der Phasenströme in negative Sequenzkomponenten, - Vergleichen der negativen Sequenzkomponenten mit jeweiligen Baseline-Werten und - Detektieren eines Kurzschlusses, wenn die negativen Sequenzkomponenten um mehr als eine jeweilige absolute oder relative Schwelle von dem jeweiligen Baseline-Wert abweichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Transformieren der Phasenströme in negative Sequenzkomponenten unter Verwendung eines rotierenden Bezugssystems, das mit einer Ausgangsfrequenz des Antriebs rotiert, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei die Baseline-Werte in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz gegeben sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei eine negative Sequenzkomponente einer Stromkomponente oder Oberschwingungen entspricht, die in entgegengesetzter Richtung zu einem rotierenden Hauptmagnetfeld in einem Luftzwischenraum des Motors rotieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: - Messen einer DC-Zwischenkreisspannung.
Verfahren nach Anspruch 5, - wobei die DC-Zwischenkreisspannung an gleichgerichteten Ausgangsspannungen und/oder an Verbindungspunkten zwischen jeweiligen Dioden gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: - Transformieren der DC-Zwischenkreisspannung in ein Bezugssystem, das mit einer Bezugssystemrate rotiert und - Erhalten einer Resonanzsignatur durch Berechnen eines Quadratwurzelbetrags der DC-Zwischenkreisspannung in dem Bezugssystem.
Verfahren nach Anspruch 7, - wobei die DC-Zwischenkreisspannung in dem Bezugssystem durch ein Tiefpassfilter geleitet wird, bevor ein Quadratwurzelbetrag berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, - wobei das Bezugssystem mit einer Ausgangsfrequenz des Antriebs, multipliziert mit einem durch 2/n gegebenen Wert, wobei n eine ganze Zahl ist, rotiert.
Verfahren nach Anspruch 9, - wobei n ein ganzzahliger Wert einer maximalen Ausgangsfrequenz dividiert durch eine Netzfrequenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, - wobei das Detektieren eines Kurzschlusses pausiert wird, während eine Netzunausgeglichenheit durch Detektieren des Vorliegens von Oberschwingungen in der Resonanzsignatur detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, - wobei ein Kurzschluss auch detektiert wird, wenn der Antrieb in einem Resonanzband arbeitet und keine Netzunausgeglichenheit basierend auf der Resonanzsignatur detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, - wobei jedes Resonanzband um eine Stromnetzfrequenz multipliziert mit einer ganzen Zahl definiert ist.
Steuereinheit (10) für einen Elektromotor (20), wobei die Steuereinheit (10) ausgelegt ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.