Der Erfindung liegt das Problem zu
Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Fehlererkennung bei einer
Antriebseinrichtung zur Verfügung
zu stellen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach werden zur Fehlererkennung
die Phasenströme
an einem vorgegebenen Punkt der jeweiligen Periode, dass heißt bei einem
vorgegebenen Stromwinkel, unter gleichzeitiger Variation der Spannungen
an den Phasen des Elektromotors gemessen und die Messwerte in Abhängigkeit
von der Spannung an der jeweiligen Phase des Elektromotors ausgewertet.
Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich für die Fehlererkennung
in Antriebseinrichtungen für Werkzeugmaschinen
und ermöglicht
eine Lokalisierung von Fehlern, so dass insbesondere zwischen einem
Fehler im Stromrichter und einem Fehler im nachgeschalteten Elektromotor
ohne Verwendung separater Messeinrichtungen für den Stromrichter einerseits
und dem Elektromotor andererseits unterschieden werden kann. Dies
ermöglicht
darüber
hinaus eine Ferndiagnose von Fehlern mittels eines Modems oder über Internet.
Die Möglichkeit der Unterscheidung
zwischen Fehlern im Stromrichter einerseits und im Elektromotor
andererseits ergibt sich daraus, dass zur Fehlererkennung nicht
einfach die Phasenströme in
den einzelnen Phasen des Elektromotors bei bestimmten Stromwinkeln
gemessen werden, sondern dass hierbei gleichzeitig eine Variation
der die Ströme
erzeugenden elektrischen Spannungen stattfindet. Das Verhalten der
Ströme
in Abhängigkeit
von der zu Grunde liegenden elektrischen Spannung ermöglicht eine
Auswertung, die zu einer Unterscheidung zwischen Fehlern im Stromrichter
einerseits und im Elektromotor andererseits führt. Dies wird weiter unten
anhand von Beispielen im Einzelnen dargelegt werden. Wichtig ist
hierbei, dass die Spannungen während
der Messung der Phasenströme derart
variiert werden, dass sich der Stromwinkel nicht ändert, also
die Phasenströme
während
einer Messung jeweils an einem einzigen, konstanten Punkt der Periode
untersucht werden.
Bei den zu detektierenden Fehlern
des Elektromotors handelt es sich insbesondere um eine Unterbrechung
in den Leitungen einer Phase des Elektromotors, z. B. als Folge
eines Leitungsbruches oder eines nicht geschlossenen Kontaktes.
Bei den innerhalb des Stromrichters zu detektierenden Fehlern kann
es sich vor allem um ein fehlerhaftes, das heißt nicht korrekt schaltendes
Stromrichterventil in Form eines Transistors, insbesondere eines
sogenannten IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor), handeln.
Eine Unterbrechung in einer Phase
des Elektromotors wird dadurch erkannt, dass der entsprechende Phasenstrom
unabhängig
von dem Wert der zu Grunde liegenden elektrischen Spannung stets annähernd gleich
null ist. (Der exakte Wert „0"
tritt aufgrund von Messeinflüssen
in der Regel nicht auf.). Demgegenüber ist bei einem fehlerhaften,
nicht korrekt schaltenden Stromrichterventil nur für einen
Teilbereich der zugrundeliegenden elektrischen Spannungskurve ein
(bei einem korrekt schaltenden Stromrichterventil nicht auftretender)
Abfall auf den Stromwert null zu beobachten.
Zur Auswertung der Phasenströme wird
ein solcher Stromwinkel gewählt,
dass mindestens einer der Phasenströme während der Messung stets gleich Null
ist. Bei sinusförmig
verlaufenden Phasenströmen
kann die Messung der Phasenströme
beispielsweise bei einem Stromwinkel erfolgen, an dem einer der
Phasenströme
einen Nulldurchgang aufweist.
Die Spannungen werden während der
Messungen der Phasenströme
vorzugsweise derart variiert, dass das Verhältnis der Spannungen während der
Messung konstant bleibt. Insbesondere können zwei der Spannungen so
variiert werden, dass dies Summe der Spannungen während der
Messung stets gleich null ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Spannungen an den einzelnen Phasen des
Elektromotors während der
Messung jeweils periodisch variiert, wobei die Spannungen während einer
Messung jeweils eine voller Periode durchlaufen.
Die Variation der Spannungen kann
in einfacher Weise auf der Basis einer Sinus-Kurve erfolgen, so
dass die Spannungen Nulldurchgänge
erweisen, die für
die konkrete Auswertung der gemessenen Phasenströme von Bedeutung sind, wie
weiter unten erläutert
werden wird.
Die Messung der Phasenströme kann
bei mehreren unterschiedlichen Stromwinkeln erfolgen, wobei die
Anzahl der Messungen bei unterschiedlichen Stromwinkeln vorzugsweise
der Anzahl der Phasen des Elektromotors entspricht und bei jeder der
Messungen ein anderer der Phasenströme den Wert null aufweist.
Zur Auswertung der Messergebnisse
im Hinblick auf die Fehlererkennung können die gemessenen Phasenströme jeweils
an definierten, anhand des Verlaufs zu Grunde liegenden elektrischen
Spannungen bestimmbaren Punkten des jeweiligen Stromverlaufs ausgewertet
werden, beispielsweise am Maximum des jeweiligen Phasenstromes zwischen
einem Maximum und einem Nulldurchgang der zugehörigen Spannung. Die Auswertung
der Messergebnisse kann dann in einfacher Weise in tabellarischer
Form erfolgen.
Es ist nicht erforderlich, sämtliche
Phasenströme
direkt zu messen, da einer der Phasenströme indirekt aus den übrigen Phasenströmen ermittelt werden
kann.
Die Eingangssignale des Stromrichters
werden durch Ausgangssignale eines Reglers, insbesondere durch pulsweitenmodulierte
Signale (PWM-Signale), bestimmt. Daher ist es zweckmäßig, die
Ausgangssignale des Reglers an der Schnittstelle zwischen Regler
und Stromrichter im Hinblick auf Fehler zu untersuchen. Hierbei
wird überprüft, ob bestimmte,
vorgegebene Muster der Ausgangssignale des Reglers die zu erwartenden
Eingangssignale (Spannungssignale) am Stromrichter erzeugen. Ein Fehler
liegt dann vor, wenn bestimmte vorgegebene Ausgangssignale des Reglers
nicht zu der erwarteten Spannungssignalen führen. Zur Auswertung der Spannungssignale
werden diese über
ein logisches Gatter, insbesondere EXOR-Gatter miteinander verknüpft.
Weiterhin kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ergänzend
geprüft
werden, ob ein Kurzschluss zwischen zwei Phasen des Elektromotors vorliegt.
Die Prüfung
auf Kurzschluss erfolgt immer dann, wenn die Messung der Phasenströme auf Grund
eines Über stromes
in einem der Stromrichterventile des Stromrichters abgebrochen werden musste.
Die Detektion eines solchen Überstromes kann
in einfacher Weise in dem jeweiligen Stromrichterventil selbst erfolgen,
das als Folge des Überstromes
abschaltet.
Zur Prüfung auf Kurzschluss werden
jeweils zwei Phasen des Elektromotors auf das gleiche elektrische
Potenzial gelegt und es wird sodann geprüft, ob die Größe eines
der Phasenströme
auf einen Kurzschluss hinweist. Die Festlegung des elektrischen
Potenzials der einzelnen Phasen kann dabei durch geeignete Wahl
eines Stromwinkels erfolgen. Indem nacheinander alle möglichen
Kombinationen zweier Phasen des Elektromotors auf das gleiche elektrische
Potenzial gelegt werden, lässt
sich bei Auftreten von Kurzschlussströmen ermitteln, welche der beiden
Phasen kurzgeschlossen sind. Denn der Kurzschluss kann jeweils nicht
von den Phasen herrühren,
die sich auf dem gleichen elektrischen Potenzial befinden.
Sollten bei allen Kombinationen Kurzschlussströme auftreten,
so kann anschließend
eine Prüfung
auf einen Erdschluss einer Phasen durchgeführt werden. Hierzu werden die
einzelnen elektrischen Schaltungen des Stromrichters, die jeweils
einer der Phasen des Elektromotors zugeordnet sind, mit identischen
Eingangssignalen beaufschlagt. Diese elektrischen Schaltungen können jeweils
durch paarweise angeordnete Transistoren oder Thyristoren, insbesondere
in Form paarweise angeordneter IGBTs, mit zugeordneten Freilaufdioden
gebildet werden.
Durch die den einzelnen Phasen des
Elektromotors zugeordneten elektrischen Schaltungen wird in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Eingangssignal des Stromrichters jeweils eine
von zwei möglichen Spannungen
als elektrisches Potential an die entsprechende Phase des Elektromotors
angelegt. Ein Erdschluss liegt in diesem Fall dann vor, wenn ein Strom
auftritt, obwohl alle Phasen des Elektromotors auf ein identisches
elektrisches Potenzial gelegt worden sind.
Die erfindungsgemäße Lösung und ihre vorstehend beschriebenen
Weiterbildungen sind insbesondere geeignet zur Verwendung bei einem Drei-Phasen-Drehstrom-Motor.
Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung der Figuren
deutlich werden.
Es zeigen:
1 ein
schematisches elektrisches Schaltbild eines Elektromotors mit einem
vorgeschalteten Frequenz-Umrichter;
2 ein
Flussdiagramm eines Verfahrens zur Fehlererkennung bei einer Antriebseinrichtung gemäß 1;
3 eine
schematische Darstellung einer Auswerteschaltung zur Ermittlung
von Fehlern an der Schnittstelle zwischen dem Frequenz-Umrichter
aus 1 und einem vorgeschalteten
Regler;
4 eine
Tabelle zur Auswertung der Schaltung gemäß 3;
5 ein
Flussdiagramm zur näheren
Erläuterung
eines Verfahrensschrittes aus 2 betreffend
die Unterscheidung von Fehlern in dem Elektromotor einerseits und
dem vorgeschalteten Frequenz-Umrichter andererseits;
6 eine
Darstellung des idealen Verlaufs der Phasenströme in dem Elektromotor aus 1;
7a bis 16c unterschiedliche relevante Messergebnisse
bei Durchführung
des Verfahrens gemäß 5;
17 eine
tabellarische Darstellung der Ergebnisse eines Verfahrens zur Erkennung
eines Kurzschlusses zwischen zwei Phasen des Elektromotors aus 1;
18 ein
Flussdiagramm zur Erkennung eines Erdschlusses in einer der Phasen
des Elektromotors aus 1.
In 1 ist
eine Antriebseinrichtung für Werkzeugmaschinen
dargestellt, die einen Mehrphasen-Elektromotor in Form eines Dreiphasen-Drehstrom-Motors 1,
einen dem Motor 1 vorgeschalteten Stromrichter in Form
eines Frequenz-Umrichters 2 sowie einen Regler 3 zur
Erzeugung von PWM-Signalen für
den Umrichter 2 aufweist. Die drei Phasen 11, 12, 13 des
Antriebsmotors 1 sind in 1 schematisch
als Spulen mit einer zugeordneten Zuleitung dargestellt.
Der dem Antriebsmotor 1 vorgeschaltete Umrichter 2 (Leistungsteil)
wird gebildet durch drei Paare 26a, 26b; 27a, 27b; 28a, 28b von
IGBTs mit zugehörigen
Freilaufdioden. Ferner ist jedem IGBT 26a, 26b; 27a, 27b; 28a, 28b eine
elektrische Zuleitung 21a, 21b; 22a, 22b bzw. 23a, 23b zugeordnet.
Jedes dieser Paare 26a, 26b; 27a, 27b; 28a, 28b von
IGBTs bildet zusammen mit den zugehörigen Freilaufdioden und den
Zuleitungen 21a, 21b; 22a, 22b; 23a, 23b eine
elektrische Schaltung 21, 22 bzw. 23,
die in Abhängigkeit
von den Eingangssignalen des Umrichters 2 bzw. den Ausgangssignalen
des Reglers 3 eine obere Zwischenkreisspannung Uz/2 oder
eine untere Zwischenkreisspannung –Uz/2 an die jeweils zugeordnete
Phase 11, 12 oder 13 des Antriebsmotors 1 schaltet.
Zwei der hieraus resultierenden Phasenströme 11, 12 in
der ersten Phase 11 bzw. der zweiten Phase 12 des
Antriebsmotors 1 werden mittels Stromsensoren 41, 42 gemessen:
Der Phasenstrom I3 in der dritten Phase 13 des Antriebsmotors 1 lässt sich
aus den gemessenen Werten der beiden anderen Phasenströme I1, I2
ermitteln. Ein Strom kann dabei innerhalb des Antriebsmotors nur dann
fließen,
wenn mindestens zwei der drei Spannungen U1, U2, U3 an den Phasen 11, 12, 13 des Elektromotors 1 unterschiedlich
sind, also mindestens eine der Spannungen U1, U2, U3 auf den Wert Uz/2
und eine andere auf den Wert –Uz/2
gelegt worden ist.
Von dem Regler 3, dessen
Ausgangssignale PWM1, PWM2 und PWM3 die Eingangssignale des Umrichters 2 bestimmen,
sind in 3 lediglich
elektrische Leitungen 31, 32, 33 dargestellt,
die die Schnittstelle zu dem Umrichter 2 bilden und die
jeweils einer der elektrischen Schaltungen 21, 22, 23 des
Umrichters 2 zugeordnet sind. Bei den vom Regler 3 erzeugten
Ausgangssignalen handelt es sich jeweils um Rechtecksignale, deren
Tastverhältnis
abhängig
von dem gewünschten
Strom-Sollwerten im Antriebsmotor 1 ist.
Antriebseinrichtungen für Werkzeugmaschinen
der in 1 dargestellten
Art sind bekannt. Nachfolgend wird anhand der weiteren Figuren beschrieben
werden, wie bei einer solchen Antriebseinrichtung eine Fehlererkennung
durchgeführt
werden kann, die nicht nur eine zuverlässige Erkennung auftretender
Fehler, sondern auch deren Lokalisierung ermöglicht. Insbesondere soll zwischen
dem Auftreten eines Fehlers im Antriebsmotor 1 und im Umrichter 2 unterschieden
werden können,
ohne hierfür
zusätzliche
Messeinrichtungen, insbesondere separate Messeinrichtungen zur Erkennung
von Fehlern im Antriebsmotor 1 einerseits und im Umrichter 2 andererseits,
vorzusehen.
2 zeigt
in einem Flussdiagramm eine Übersicht über den
Gesamtablauf eines Fehlertestes 100 für die Antriebseinrichtung aus 1.
In einem ersten Testschritt 101 wird
die Schnittstelle zwischen dem Regler 3 und dem Umrichter 2 geprüft, d. h.
es wird getestet, ob die durch den Regler 3 erzeugten PWM-Signale korrekt im
Umrichter 2 ankommen und ob alle benötigten Hilfsspannungen zur
Ansteuerung der IGBTs vorliegen. Wird bei diesem Test ein Fehler
festgestellt, so wird die Fehlermeldung 102 „PWM-Schnittstelle
fehlerhaft" erzeugt und der Test beendet. Denn weitere Testfunktionen
sind nicht sinnvoll ausführbar,
solange nicht sichergestellt ist, dass dem Umrichter 2 korrekte Eingangssignale
zugeführt
werden.
Wenn bei dem Test der Schnittstelle
zwischen Umrichter 2 und Regler 3 keine Fehler
auftraten, dann wird im nächsten
Schritt 103 ein „Motortest mit
Strommessung" durchgeführt.
Hierbei werden für drei
unterschiedliche Stromwinkel des den Antriebsmotor 3 antreibenden
Drehstromes die zugrunde liegenden elektrischen Spannungen sinusförmig variiert.
Der Stromwinkel wird dabei derart gewählt, dass in einer der drei
Motorphasen der Strom gleich Null ist, die zugehörige Spannung also ebenfalls
konstant den Wert Null aufweist.
Durch eine getrennte Auswertung der
beiden Halbwellen der sinusförmig
verlaufenden Spannungen ergeben sich bei drei unterschiedlichen
Stromwinkeln insgesamt sechs auswertbare Messungen der Phasenströme. Die
Auswertung erfolgt mittels einer Tabelle, anhand deren Einträgen sich
feststellen lässt,
ob ein Fehler in der Antriebseinrichtung auf einen nicht einschaltenden
IGBT oder eine Unterbrechung in einer Phase des Antriebsmotors zurückgeht.
Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass der jeweils induzierte
Phasenstrom je nach Vorzeichen über
die zugehörige
Freilaufdiode zur positiven oder negativen Zwischenkreis-Spannungsschiene
in der entsprechenden elektrischen Schaltung 21, 22, 23 des
Umrichters 2 abfließt.
Während
dieses Testes wird gleichzeitig auch abgefragt, ob einer der IGBTs
des Umrichters 2 wegen Überstromes
abschaltet. Wird kein IGBT-Error 104 in Form eines Überstromes
festgestellt, so erfolgt die Auswertung 103a der Messwerte
aus den Strommessungen 103 und es wird gegebenenfalls eine
Fehlermeldung 105 ausgegeben, die auf eine offene Phase
in dem Antriebsmotor 1 oder einen Fehler in dem Umrichter 2 (nicht
einschaltender IGBT) hinweist.
Wird demgegenüber in einem der IGBTs ein Überstrom
festgestellt, so wird in einem nächsten Schritt 106 überprüft, ob ein
Phasen-Kurzschluss vorliegt, d.h., ob zwei Phasen des Antriebsmotors 1 kurzgeschlossen
sind. Hierzu werden wiederum Messungen bei drei unterschiedlichen
Stromwinkeln durchgeführt,
wobei die Stromwinkel der einzelnen Messungen so gewählt werden,
dass jeweils zwei der Phasen auf dem gleichen elektrischen Potential
liegen, also auf die gleiche Zwischenkreis-Spannung geschaltet worden
sind. Bei der Auswertung der Messungen wird berücksichtigt, dass bei Vorliegen
eines Kurzschlusses zweier Phasen während der Strommessung nur
dann keine Abschaltung wegen eines Überstromes stattfindet, wenn
gerade zwischen den beiden betroffenen Phasen keine Potentialdifferenz vorliegt,
also die beiden Phasen auf die gleiche Zwischenkreisspannung geschaltet
worden sind. Nach Erkennen eines Kurzschlusses wird der Test mit
der Fehlermeldung 107 „Phasenkurzschluss" beendet.
Findet bei allen drei Stromwinkeln
eines Abschaltung wegen eines Überstromes
statt, so wird ein Test 108 auf Erdschluss durchgeführt. Dabei
werden die Ausgangssignale (PWM-Signale) des Reglers 3 zunächst fest
auf „1"
und dann fest auf „0"
eingestellt. Falls ein Erdschluss vorliegt, so wird bei beiden Messungen
eine Abschaltung wegen eines auftretenden Überstromes erfolgen. Bei einem
Kurzschluss innerhalb eines IGBT wird demgegenüber ein Überstrom nur dann auftreten,
wenn der dem defekten IGBT als Partner zugeordnete weitere IGBT
eingeschaltet worden ist. Hierdurch kann also unterschieden werden,
ob ein Überstrom
auf einen Erdschluss einer der Phasen des Antriebsmotors 1 oder
auf einen Kurzschluss innerhalb eines IGBT des Umrichters 2 zurückgeht.
Durch Beobachtung und Auswertung der gemessenen Ströme kann
dabei auch ein hochohmiger Erdschluss bzw. Kurzschluss erkannt werden.
Im Folgenden werden die anhand 2 im Zusammenhang dargestellten
Fehlertests einzeln näher
erläutert
werden.
3 zeigt
eine Auswerteschaltung zur Durchführung und Auswertung des Testes 101 (2) auf Fehler an der Schnittstelle
zwischen Regler 3 und Umrichter 2. Die Auswerteschaltung
umfasst drei Anschlüsse,
die jeweils einer der drei Zuleitungen 31, 32, 33 (1) an der Schnittstelle
von Regler 3 und Umrichter 2 zugeordnet sind.
Die ersten beiden Anschlüsse
sind über
jeweils eine elektrische Leitung 51, 52 mit den
beiden Eingängen
eines logischen Gatters 56 in Form eines EXOR-Gatters verbunden.
Das Ausgangssignal dieses ersten EXOR-Gatters 56 wird einem
zweiten EXOR-Gatter 57 zugeführt, dessen Eingang außerdem das
an dem dritten Anschluss der Auswerteschaltung auftretende Signal über eine
Leitung 53 zugeführt
ist. Das zweite EXOR-Gatter 57 ist wiederum ausgangsseitig
mit einem Eingang eines dritten EXOR-Gatters 58 verbunden,
dem außerdem
das Ergebnis einer Selbsttest-Schaltung 54 zugeführt wird,
die das Vorhandensein aller zum Ansteuern der IGBTs benötigten Kleinspannungen
(in Höhe
von 15V bzw. 24V) prüft. Das
Ausgangssignal des dritten EXOR-Gatters 58 wird einem logischen
Gatter 59 in Form eines NOR-Gatters zugeführt, das
eingangsseitig außerdem
mit einer Schaltung 55 zum Aktivieren des Tests der Schnittstelle
verbunden ist.
Zur Durchführung des Fehlertests an der Schnittstelle
zwischen Regler 3 und Umrichter 2 wird der Regler
derart betätigt,
dass definierte Muster an PWM-Signalen an den die Schnittstelle
bildenden Leitungen 31, 32, 33 zu erwarten
sind. Jedes dieser Muster entspricht einer bestimmten Verteilung
der Werte „1"
und „0"
für die
PWM-Signale PWM1, PWM2 und PWM3, die von dem Regler 3 in
den entsprechenden Leitungen 31, 32, 33 der
Schnittstelle zur Verfügung
gestellt werden sollen. Die aufgrund dieser Signale in den eingangsseitigen
Leitungen 51, 52, 53 der Auswerteschaltung 5 erzeugten
Spannungssignale PWM.U1, PWM.U2, PWM.U3, die jeweils den entsprechenden
Wert „1"
bzw. „0"
des zugehörigen
PWM-Signales repräsentieren,
werden in den ersten beiden EXOR-Gattern 56, 57 miteinander verknüpft. Dazu
kommt noch die Verknüpfung
mit der Selbsttest-Schaltung 54, die das Vorhandensein
aller erforderlichen Kleinspannungen überprüft und im Fehlerfall den Wert „1" und
im Übrigen
den Wert „0" an
den entsprechenden Eingang des dritten EXOR-Gatters 58 legt.
Das Ergebnis dieser drei Verknüpfungen
in den EXOR-Gattern 56, 57, 58 wird dem
NOR-Gatter 59 (Invertierer) zugeführt, das bei Aktivierung der
Test-Schaltung außerdem
von den Steuerleitungen zur Testaktivierung eingangsseitig mit dem
Wert „0"
beaufschlagt wird, da dann beide Steuerleitungen SH1, SH2 jeweils
auf den Wert „0" gelegt
sind.
Zur Auswertung der mittels der Auswerteschaltung 5 gemessenen
Werte werden die Muster der drei PWM-Signale PWM1, PWM2, PWM3 sowie das
in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Muster gemessene Ausgangssignal des NOR-Gatters 59 in
einer Tabelle abgelegt.
In 4 ist
tabellarisch für
alle acht möglichen
Muster der drei PWM-Signale, von „000" bis „110", jeweils angegeben,
welche Werte („Test.Out") ausgangsseitig
an dem NOR-Gatter 59 auftreten können und
welche Schlüsse
hieraus gezogen werden können.
Die ersten drei Zeilen der Tabelle
aus 4 geben die möglichen
Kombinationen (Muster) der drei PWM-Signale PWM1, PWM2, PWM3 an,
in Abhängigkeit
von denen das Ausgangssignal („Test Out")
am NOR-Gatter 59 erzeugt wird. Die acht Spalten der Tabelle
beziehen sich dabei auf die acht unterschiedlichen möglichen
Kombinationen der drei PWM-Signale.
Die nächsten acht Zeilen der Tabelle,
unter der Überschrift „Kleinspannungen
OK" geben die möglichen
Ausgangssignale („Test.Out)
für alle
acht Kombinationen an PWM-Signalen
in dem Fall an, in dem kein Kleinspannungsfehler vorliegt. Die erste dieser
acht Zeilen repräsentiert
den Fall, dass kein Fehler an der Schnittstelle zwischen Regler 3 und Umrichter 2 zu
beobachten ist. In diesem Fall wird bei der Signalkombination „000" an
den Eingängen
der Auswerteschaltung am Ausgang des NOR-Gatters 59 der
Wert „1"
auftreten; bei der eingangsseitigen Signalkombination „100" tritt
ausgangsseitig der Wert „0"
auf; usw.
Die nächsten sieben Zeilen stellen
jeweils Ergebnisse dar, bei denen das an der Schnittstelle auftretende
Signal nicht dem aufgrund der Einstellung des Reglers erwarteten
Signal entspricht. Die entsprechenden Fehler, die sich jeweils durch
Auswertung der acht möglichen
Kombinationen der gewünschten
PWM-Signale sowie des zugehörigen Ausgangssignales
(„Test.Out)
am Invertieren 59 ergeben, sind jeweils am Ende der Tabelle
angedeutet.
Die nächsten acht Zeilen der Tabelle
befassen sich mit dem Fall, dass beim Selbsttest der Kleinspannungen
ein Fehler aufgetreten ist und dementsprechend an dem dritten EXOR-Gatter 58 durch
die entsprechende Schaltung 54 eingangsseitig der Wert „1" angelegt
wird.
Die Fehlermeldung „PWM.U1
hängt auf
0" weist beispielsweise darauf hin, dass in der entsprechenden Zuleitung 51 das
durch eine Spannung repräsentierte
Signal PWM.U1 stets den Wert „0"
annimmt, obwohl in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Muster der drei PWM-Signale dieser Wert zwischen „0" und „1" pendeln
sollte. Dieser Fehler kann beispielsweise auf einen Leitungsbruch
zurückzuführen sein.
Die Charakterisierung „PWM.U1=PWM.U2" weist
darauf hin, dass in den beiden entsprechenden Leitungen 51, 52 der
Auswerteschaltung 5 stets dasselbe Signal gemessen wird,
obwohl dies lediglich bei vier der insgesamt acht möglichen
Kombinationen der PWM-Signale der Fall sein dürfte.
Die letzten beiden Zeilen der Tabelle
weisen auf „generelle
Fehler" der Auswerteschaltung hin. Im ersten Fall ist die Testschaltung
gar nicht aktiviert; der Fehler liegt also in den entsprechenden
Steuerleitungen SH1, SH2. Im zweiten Fall ist der Ausgang der Testschaltung
(„Test.Out")
offen.
Nach Abschluss der anhand der 3 und 4 beschriebenen Überprüfung der an der Schnittstelle zwischen
Regler 3 und Umrichter 2 anliegenden Signale erfolgt
das eigentliche Kernstück
der Fehlerdiagnose, nämlich
die Ermittlung von Fehlern in dem Umrichter 2 oder dem
Antriebsmotor 1 durch Messung der Phasenströme I1, I2,
I3 in den einzelnen Phasen 11, 12, 13 des
Antriebsmotors 1. Eine Übersicht über den
Ablauf der entsprechenden Messungen ist in dem Flussdiagramm gemäß 5 gezeigt.
Ziel dieses Testes ist es, nicht
nur das Vorliegen eines Fehlers festzustellen, sondern den Ursprung
des Fehlers zu lokalisieren, insbesondere zwischen einer Unterbrechung
einer Phase des Antriebsmotors 1, z.B. infolge eines Leitungsbruchs (auch
einer Wicklungsunterbrechung im Motor) oder eines offenen Kontaktes,
und einem Fehler in dem Umrichter 2, z.B. als Folge eines
nicht einschaltenden IGBT, zu unterscheiden.
Nach Aktivierung der Strommessung 200 werden
zunächst
die zugrundezulegenden Mess-Spannungen ermittelt. Hierzu wird aus
den elektrischen Daten des Motors, die von der Motorsteuerung abgefragt
werden können,
diejenige Spannung ermittelt, die im Motor den für die Messung gewünschten
Nennstrom induziert. Der tatsächlich
induzierte Strom wird später
während
der Messung nochmals überprüft. Falls
die Differenz zu dem gewünschten
Nennstrom einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird die Mess-Spannung angepasst, so
dass im Antriebsmotor 1 für eine erneute Messung der
zulässige
Maximalstrom des Motors induziert wird. Für diese Anpassung der Spannung
wird von einem linearen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung
ausgegangen. Stehen die elektrischen Daten des Motors nicht zur
Verfügung,
so besteht alternativ die Möglichkeit,
sich von einer zunächst
niedrig gewählten
Spannung an den Nennstrom heranzutasten. Die Messspannung wird derart
gewählt,
dass sich die induzierten Phasenströme in dem Antriebsmotor 1 einerseits
hinreichend deutlich vom Hintergrundrau schen abheben und dass andererseits
eine Beschädigung
des Antriebsmotors 1 durch zu große Ströme ausgeschlossen ist.
Nach Festlegung der Mess-Spannung
erfolgt in einem nächsten
Schritt 202 bei einem ersten Stromwinkel, bei dem einer
der Phasenströme
I1, I2, I3 gleich null ist, eine Messung der beiden übrigen Phasenströme in Abhängigkeit
von einer sinusartigen Variation der Mess-Spannung, und zwar derart, dass
die Spannung genau eine Periode durchläuft.
Im Anschluss daran wird überprüft, ob bei der
Messung ein IGBT-Error 203 aufgetreten ist, d.h. ob einer
der IGBTs des Umrichters 2 wegen eines Überstromes abgeschaltet worden
ist. In diesem Fall wird die Messung mit einer entsprechenden Fehlermeldung
beendet.
Andernfalls wird die Strommessung
weitergeführt,
und zwar bei zwei weiteren Stromwinkeln des zur Bestromung des Antriebsmotors 1 dienenden Drehstromes,
so dass die Messung bei insgesamt drei Stromwinkeln durchgeführt wird
und bei jeder Messung ein anderer der Phasenströme I1, I2, I3 den Wert 0 aufweist.
Ferner wird nach jeder der weiteren Strommessungen 204, 206 das
Vorliegen eines IGBT-Errors 205 bzw. 207 abgefragt
und wiederum die Messung mit einer Fehlermeldung beendet, falls
ein solcher vorliegt.
Ist bei keiner der Strommessungen
ein IGBT-Fehler aufgetreten, so wird in einem nächsten Schritt 208 das
Maximum des bei der Messung aufgetretenen Strombetrages ermittelt
und als Imess zur Normierung der Ergebnisse verwendet. Anschließend erfolgen
eine Bewertung 209 der Messergebnisse zur Vorbereitung
der Fehlererkennung und eine Auswertung 210 der bewerteten
Ergebnisse anhand einer Tabelle.
Nachfolgend wird nun die Durchführung der einzelnen
Strommessungen, die Bewertung der Messergebnisse sowie die Auswertung
der Ergebnisse zur Fehlererkennung genauer beschrieben werden. Die
Auswertung wird nur dann vorgenommen, wenn nicht während der
Strommessung einer der IGBTs wegen eines Überstromes abgeschaltet und
die Messung insgesamt unterbrochen worden ist. Denn in diesem Fall
würde,
wie oben an hand an 2 dargelegt,
anstelle einer Auswertung der Strommessung eine Prüfung auf
Phasenschluss bzw. Erdschluss erfolgen.
6 zeigt
den idealen Verlauf der drei Phasenströme I1, I2, I3, des Antriebsmotors 1 in
einem Winkelbereich zwischen 0° und
500°. Die
drei Phasenströme
I1, I2, I3 verlaufen jeweils sinusförmig und sind um 120° gegeneinander
phasenverschoben. Der Verlauf der Phasenströme wird bestimmt durch die
PWM-Signale, die als Ausgangssignale des Reglers 3 dem
Umrichter 2 zugeführt
werden und somit das Potential festlegen, auf das die einzelnen
Phasen 11, 12, 13 des Antriebsmotors 1 zu
einem jeweiligen Zeitpunkt gelegt werden.
Vorliegend werden zur Durchführung der Strommessungen,
anhand derer Fehler im Umrichter 2 einerseits und im Antriebsmotor 3 andererseits
festgestellt werden sollen, die PWM-Signale PWM1, PWM2 und PWM3
derart eingestellt, dass jeweils einer der drei Phasenströme I1, I2,
I3 gleich null ist und die beiden anderen Phasenströme den gleichen
Betrag aber entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen. Dies ist bei
den Stromwinkeln 120°,
240° sowie
360° der
Fall, wie aus 6 hervorgeht.
Anschließend werden bei dem jeweils
vorgegebenen Stromwinkel die zugrundeliegenden Spannungen (Potentiale)
an den Phasen 11, 12, 13 des Antriebsmotors 1 zeitlich
derart variiert, dass die Phasen derjenigen beiden Ströme, die
bei dem aktuellen Stromwinkel ungleich null sind, eine volle Sinusperiode
durchlaufen und zu jedem Zeitpunkt denselben Betrag aber entgegengesetztes
Vorzeichen aufweisen. Die dritte der drei Spannungen U1, U2, U3
ist dabei jeweils gleich null; sie gehört zu demjenigen Phasenstrom,
der bei dem entsprechenden Stromwinkel den Wert null aufweist. Die
Amplitude der zeitlich variierten Spannungen ist dabei festgelegt
durch die Mess-Spannung, die vor Beginn der Messung wie oben beschrieben
ermittelt worden ist.
In den nachfolgenden Figuren, die
Ergebnisse der vorstehend beschriebenen Strommessungen zeigen, sind
jeweils lediglich die ersten beiden Phasenströme I1, I2 (soweit ungleich
null) und die zugehörigen
Spannungen U1, U2 (soweit ungleich null) dargestellt.
Denn nur diesen beiden Phasenströmen I1, I2
ist gemäß 1 jeweils ein Stromsensor 41 bzw. 42 zur
Strommessung zugeordnet. Die Verhältnisse in der dritten Phase 13 des
Antriebsmotors 1 lassen sich aus den Ergebnissen zu den
beiden ersten Phasen 11, 12 errechnen.
Die 7a bis 7c zeigen die Ergebnisse
der Messungen bei den Stromwinkeln 120°, 360° sowie 240°, und zwar bei einer Antriebseinrichtung,
bei der weder in dem Umrichter 2 noch in dem Antriebsmotor 1 ein
zu detektierender Fehler vorliegt. Es ist deutlich erkennbar, dass
die gemessenen Phasenströme
I1, 12 jeweils der zugeordneten Spannung U1 bzw. U2 nachlaufen.
D.h., die Nulldurchgänge
und Maxima der Phasenströme 11, 12 liegen
zeitlich jeweils etwas hinter den entsprechenden Nulldurchgängen und Maxima
der zugrundeliegenden Spannungen U1, U2.
Das Ergebnis der Messung bei einem
Stromwinkel von 120° entsprechend 7a zeigt weiterhin, dass
die beiden gemessenen Phasenströme
I1, I2 entsprechend den zugrundeliegenden Spannungen U1, U2 jeweils
eine vollständige
Periode durchlaufen.
Bei der in 7b dargestellten Messung bei einem Stromwinkel
von 360° sind
der erste Phasenstrom I1 und die zugehörige Spannung U1 jeweils konstant
gleich null, da dieser Phasenstrom I1 bei dem Stromwinkel 360° einen Nulldurchgang
besitzt, vgl. 6. Entsprechendes
gilt bei der in 7c dargestellten
Messung bei einem Stromwinkel von 240° im Hinblick auf den zweiten
Phasenstrom I2 und die zugehörige
Spannung U2.
Die 8a bis 8c zeigen drei Messungen unter
denselben Bedingungen wie anhand der 7a bis 7c beschrieben, wobei jedoch
der obere IGBT 26a der ersten elektrischen Schaltung 21 des Umrichters 2 fehlerhaft
ist, also nicht richtig einschaltet. Dies wird deutlich anhand des
Verhaltens des ersten Phasenstromes I1 bei einer positiven zugeordneten
Spannung U1.
Wie weiter oben anhand 1 dargelegt, wird bei einer
durch das entsprechende PWM-Signal PWM1, PWM2 bzw. PWM3 erzeugten
positiven Spannung (entsprechend dem Wert „1" des PWM-Signales) jeweils
der obere IGBT 26a, 27a, 28a der entspre chenden
elektrischen Schaltung 21, 22, 23 eingeschaltet.
Nimmt das zugeordneten PWM-Signal PWM1, PWM2 bzw: PWM3 demgegenüber den
Wert „0"
an und entsteht dementsprechend eine negative Spannung, so wird
der jeweilige untere IGBT 26b, 27b, 28b des
entsprechenden Paares 26a, 26b; 27a, 27b bzw. 28a, 28b eingeschaltet.
Vorliegend weist also die Tatsache,
dass gemäß 8a und 8c bei einem Stromwinkel von 120° sowie 240° der erste
Phasenstrom, I1 jeweils dann null ist, wenn die zugeordnete Spannung
U1 einen positiven Wert annimmt, daraufhin, dass der entsprechende
IGBT 26a nicht korrekt eingeschaltet hat. Andernfalls hätte bei
einem positiven Wert der genannten Spannung U1 ein entsprechender
Wert größer null
des ersten Phasenstromes I1 gemessen werden müssen, wie in den 7a und 7c bei einem fehlerfreien System dargestellt.
In entsprechender Weise ist anhand
der 9a bis 9c erkennbar, dass der untere
IGBT 26b des ersten Paares 26a, 26b (aus
der ersten elektrischen Schaltung 21 des Umrichters 2)
defekt ist, also nicht einschaltet. Denn hier nimmt der erste Phasenstrom
I1 jeweils dann den Wert null an, wenn die zugehörige Spannung U1 bzw. U2 negativ
ist, also der untere IGBT 26b eingeschaltet haben sollte.
In entsprechender Weise lässt sich
bei den Strom- und Spannungsverläufen
in den 10a bis 10c, 11a bis 11c, 12a bis 12c und 13a bis 13c auf einen fehlerhaften
oberen IGBT 27a des zweiten Paares 27a, 27b (10a bis 10c), auf einen fehlerhaften unteren
IGBT 27b des zweiten Paares 27a, 27b (11a bis 11c), auf einen fehlerhaften oberen IGBT 28a des
dritten Paares 28a; 28b (12a bis 12c)
bzw. auf einen fehlerhaften unteren IGBT 28b des dritten
Paares 28a, 28b (13a bis 13c) schließen.
Die 14a bis 14c zeigen demgegenüber jeweils
eine Strommessung bei den drei Stromwinkeln 120°, 240° sowie 360°, entsprechend den Erläuterungen
zu den 7a bis 7c, bei einer Antriebseinrichtung
gemäß 1, bei der in der ersten
Phase 11 des Antriebsmotors 1 eine Unterbrechung
(„Phase offen")
vorliegt. Diese kann eine Folge eines Leitungsbruches oder eines
nicht ordnungsgemäß geschlossenen
Kontaktes sein.
Als Folge hiervon ist der Phasenstrom
I1 in der ersten Phase 11 des Antriebsmotors 1 stets gleich
null, unabhängig
von dem Wert der sinusförmig
variierenden zugehörigen
Spannung U1.
In entsprechender Weise ergibt eine
Auswertung der Messergebnisse gemäß den 15a bis 15c bzw.
gemäß den 16a bis 16c, dass in der zweiten Phase 12 bzw.
der dritten Phase 13 des Antriebsmotors 1 eine
Unterbrechung vorliegt, so dass der entsprechende Phasenstrom I2
stets gleich null ist (15a bis 15c) bzw. die ersten und
zweiten Phasenströme
I1 und I2 sich selbst dann zu dem Wert null addieren, wenn lediglich
eine der beiden zugeordneten Spannungen U1 oder U2 ungleich null ist,
siehe 16b und 16c.
Zur konkreten, automatisierten (computergesteuerten)
Auswertung der Messergebnisse, wie sie für bestimmte Fehlerfälle beispielhaft
anhand der 7a bis 16c dargestellt sind, wird
die Tatsache ausgenutzt, dass die Phasenströme I1, I2 den zugeordneten
Spannungen U1 bzw. U2 hinterherlaufen. So werden zur Auswertung
zunächst
die Maxima, Minima und Nulldurchgänge der Spannungen U1 und U2
bestimmt, die den gemessenen Phasenströmen I1, I2 zugrunde liegen.
Anschließend
wird für
jedes Spannungs-Maximum und den nachfolgenden Nulldurchgang der
entsprechenden Spannung U1 oder U2 sowie das Spannungs-Minimum und
den nachfolgenden Nulldurchgang jeweils das Maximum bzw. Minimum
des zugehörigen
Phasenstromes I1 bzw. I2 ermittelt. Es wird also jeweils das Maximum
des Phasenstromes I1 bzw. I2 ermittelt, das zwischen einem Maximum
der zugeordneten Spannung U1 oder U2 und dem nachfolgenden Nulldurchgang
liegt, sowie das Minimum des jeweiligen Phasenstromes I1 bzw. I2,
das zwischen einem Minimum und einem nachfolgenden Nulldurchgang
der zugehörigen
Spannung U1 oder U2 liegt.
Dies sei beispielhaft anhand 7a erläutert, die die beiden Phasenströme I1 und
I2 sowie die zugehörigen
Spannungen U1, U2 für
einen Stromwinkel von 120° bei
einer Antriebseinrichtung zeigt, die keine zu detektierenden Fehler
aufweist. Es ist erkennbar, dass zwischen dem Maximum und dem nachfolgenden
Nulldurchgang der einen Spannung U1 ein Maximum des zugehörigen Phasenstromes
I1 liegt. Entsprechend liegt zwi schen dem Minimum des einen Phasenstromes
U1 und seinem nachfolgenden Nulldurchgang wiederum ein Minimum des
zugehörigen
Phasenstromes I1. Entsprechendes gilt für die andere Spannung U2 und
den zugehörigen
Phasenstrom I2.
Aus jeder drei Messreihen, die bei
den Stromwinkeln 120°,
240° sowie
360° aufgenommen werden,
ergeben sich somit jeweils zwei Paare von Stromwerten für die Phasenströme I1 und
I2, nämlich zwei
Stromwerte für
den ersten Phasenstrom I1 und zwei Stromwerte für den zweiten Phasenstrom I2. Denn
aus jeder Halbperiode der zugehörigen
Spannung U1 bzw. U2 wird jeweils ein zugehöriger Stromwert des entsprechenden
Phasenstromes I1 bzw. I2 bestimmt.
Vergleicht man nun die Darstellung
gemäß 8a mit der Darstellung gemäß 7a, so zeigt sich, dass
aufgrund des fehlerhaften oberen IGBT 26a des ersten Paares 26a, 26b der
erste Phasenstrom I1 zwischen dem Maximum und dem nachfolgenden
Nulldurchgang der zugehörigen
Spannung U1 kein eigenes Maximum annimmt. Der Phasenstrom I1 ist über den
gesamten Bereich (bis auf Rauschen) im Wesentlichen gleich null.
Das Fehlen des Strom-Maximums weist also darauf hin, dass sich der Phasenstrom
I1 hier nicht entsprechend der zugrundeliegenden Spannung U1 verhält, was
wiederum ein Hinweis auf einen nicht einschaltenden IGBT 26a ist.
Zur systematischen Auswertung der
Messreihen der Phasenströme
I1, I2 auf der Grundlage des vorstehend erläuterten Prinzips wird wie folgt vorgegangen:
Die ermittelten Strom-Maxima und Strom-Minima (die jeweils zwischen
einem Maximum und einem Nulldurchgang bzw. einem Minimum und einem
Nulldurchgang der zugrundeliegenden elektrischen Spannung auftreten)
werden daraufhin bewertet, ob sie ein tatsächliches Strom-Maximum bzw. Strom-Minimum
darstellen oder ob lediglich das Maximum bzw. Minimum eines Rauschens
gemessen wurde, der Strom aber tatsächlich im Wesentlichen gleich
null ist. Hierzu werden die Beträge
der gemessenen Strom-Maxima bzw. Strom-Minima mit dem maximalen
gemessenen Stromwert Imess verglichen, und zwar unter Verwendung
eines Bewertungsfaktors k. Dieser kann beispielsweise den Wert k
= 0.2 aufweisen. Die in der oben erläuterten Weise ermittelten Maxima
und Minima der Phasenströme I1,
I2 werden dann jeweils danach bewertet, ob sie vom Betrag her größer oder
kleiner sind als das k-fache des größten überhaupt gemessenen Stromes Imess.
Nur wenn ersteres der Fall ist, wird das Vorliegen eines echten
Strom-Maximums bzw. – Minimums angenommen.
Ansonsten wird davon ausgegangen, dass der entsprechende Strom im
Wesentlichen gleich null ist und lediglich Rauschen gemessen wurde.
Für
die Bildung einer systematisch auswertbaren Tabelle gelten dann
folgende Formeln:
Wenn |I| > k*|Imess| & I > 0, dann wird dem entsprechenden
Strom I der Wert „1"
zugeordnet. (Der Strom I steht dabei wahlweise für die Messwerte
des Phasenstromes I1 oder I2.)
Falls |I| <= k*|Imess|, dann wird dem entsprechenden Strom I der
Wert „0"
zugeordnet.
Falls |I| > k*|Imess| & I < 0, dann wird dem
entsprechenden Strom I der Wert „–1" zugeordnet.
Es werden also zum Detektieren eines
Fehlers nicht die tatsächlich
gemessenen Stromwerte unmittelbar ausgewertet, sondern es wird jeweils dem
Stromverlauf zwischen einem Maximum der zugrundeliegenden Spannung
und einem Nulldurchgang der zugrundeliegenden Spannung der Wert „1" oder „0" zugeordnet,
wobei der Wert „1"
bedeutet, dass in dem besagten Bereich ein Strom-Maximum aufgetreten
ist und der Wert „0"
bedeutet, dass der Strom in dem entsprechenden Bereich im Wesentlichen
gleich null ist. In entsprechender Weise wird dem jeweils gemessenen
Strom zwischen einem Spannungs-Minimum und dem nachfolgenden Nulldurchgang
der Wert „1"
zugeordnet, wenn hier ein tatsächliches
Minimum des entsprechenden Stromes aufgetreten ist, ansonsten der
Wert „0".
So lassen sich die Ergebnisse der Strommessungen in einer Tabelle
darstellen, wobei jedem der betrachteten Strom-Winkel 120°, 240° sowie 360° jeweils
vier Stromwerte zugeordnet sind, nämlich jeweils zwei Werte des
ersten Phasenstromes I1 und zwei Werte des zweiten Phasenstromes
I2. Diese Werte werden wiederum danach sortiert, ob sie den Bereich
zwischen einem Maximum und einem nachfolgenden Null durchgang oder
zwischen einem Minimum und einem nachfolgenden Nulldurchgang der
zugehörigen
Spannung repräsentieren.
Diese Tabelle lässt sich dann in gleicher Weise
auswerten, wie weiter oben die tatsächlich gemessenen Stromverläufe anhand
der 7a bis 15c ausgewertet worden sind.
Dies wurde anhand der 7a und 8a bereits erläutert und
gilt auch für
die weiteren Figuren. Denn die obige Auswertung hat gezeigt, dass
es für
die Feststellung eines Fehlers nicht auf den gesamten gemessenen
Stromverlauf ankommt, sondern lediglich darauf, ob der jeweils gemessene
Phasenstrom in einem bestimmten Bereich der zugehörigen elektrischen
Spannung größer als null,
gleich null oder kleiner als null ist. Dies lässt sich mit dem zur Bildung
der Tabelle angewandten Kriterium unter Bestimmung der Strom-Maxima
bzw. -Minima erfassen.
Insbesondere lässt sich, wie anhand der 7a bis 15c demonstriert, unterscheiden, ob ein Fehler
in einem IGBT vorliegt oder eine der Phasen I1, I2, I3 des Antriebsmotors 1 offen
ist. Im letztgenannten Fall ist der zugehörige Phasen-Strom unabhängig von
der zeitlich variierten Spannung stets gleich null, während im
erstgenannten Fall der entsprechende Phasen-Strom nur dann gleich
null ist, wenn er von dem fehlerhaften IGBT abhängt. Das fehlerhafte Verhalten
eines IGBT kann dabei seine Ursache auch in der zugehörigen Ansteuerlogik
haben.
Die besagten Fehler im Umrichter 2 einerseits
und im Antriebsmotor 1 andererseits lassen sich auch von
einem Defekt eines der beiden Stromsensoren 41, 42 („Stomsensor
hängt auf
Vollausschlag") unterscheiden. Denn bei einem Defekt eines der Stromsensoren 41, 42 ist
zu erwarten, dass der Stromsensor unabhängig von irgendeiner der Spannungen
stets denselben Stromwert liefert.
Es wird nun anhand der tabellarischen
Darstellung in 17 erläutert werden,
wie der bei der Beschreibung des Gesamtverfahrens anhand des Flussdiagramms
in 2 erwähnte Test
auf einen Kurzschluss zwischen zwei Phasen des Antriebsmotors 1 durchgeführt wird.
Dieser Test wird immer dann durchgeführt, wenn bei den Messungen
der Phasenströme
I1, I2 ein Überstrom
aufgetreten ist, vgl. 2.
Zum Test auf Phasen-Kurzschluss werden insgesamt
drei Strom-Messungen durchgeführt,
und zwar bei den Stromwinkeln 90°,
210° sowie
330°. Bei diesen
Stromwinkeln liegen jeweils zwei der Phasen 11, 12, 13 auf
einem identischen Potential, während die
dritte Phase auf einem hiervon abweichenden, anderen Potential liegt.
An den beiden ersten Phasen liegt also ein übereinstimmender erster Spannungswert,
z.B. –U/2,
und an der dritten Phase ein hiervon abweichender anderer Spannungswert,
z.B. U.
Wird bei einem der drei Messschritte
ein Kurzschluss beobachtet, entsprechend einem Überstrom in mindestens einem
der IGBTs, so kann dieser nicht zwischen den beiden Phasen vorliegen,
die ein übereinstimmendes
elektrisches Potential aufweist. Denn bei einem übereinstimmenden elektrischen
Potential erzeugen selbst kurzgeschlossene Leitungen keinen Stromfluss.
Eine entsprechende Entscheidungsmatrix ist in 17 dargestellt.
In den drei Messschritten werden
demnach die drei Spannungen U1, U2, U3 der Phasen 11, 12, 13 des
Antriebsmotors 1 variiert, wie vorstehend dargelegt, wobei
jeweils eine der Phasen auf das Potential „U" und die beiden anderen
Phasen auf das Potential „U/2"
gelegt werden. In Abhängigkeit
von der Verteilung der Werte „0"
und „1"
an der Fehlerausgabe „-ERR"
lässt sich
dann ermitteln, ob kein Kurzschluss vorliegt und ggf. welche beiden
der drei Phasen 11, 12, 13 kurzgeschlossen
sind.
Endet der Test auf Kurzschluss zwischen zwei
Phasen 11, 12, 13 des Antriebsmotors 1 mit dem
Ergebnis, dass bei allen drei Messschritten jeweils der Wert „0" an
der Fehlerausgabe „-ERR"
anliegt, so wird gemäß 2 überprüft, ob die Ursache für einen
zuvor detektierten Überstrom
in einem IGBT auf einen Erdschluss einer der Phasen 11, 12, 13 des Antriebsmotors 1 zurückzuführen ist.
Alternativ kann ein Kurzschluss in einem IGBTs selbst vorliegen.
Zur Durchführung des Testes 400 auf
Erdschluss werden gemäß 18 zunächst alle PWM-Signale PWM1,
PWM2 und PWM3 fest auf den Wert „0" gelegt (401). Dies bedeu tet,
dass bei den drei IGBT-Paaren des Umrichters 2 jeweils
der untere IGBT 26b, 27b und 28b eingeschaltet
ist. Eine hierbei auftretende Abschaltung 402 wegen Überstromes
wird als „Err0"
gespeichert. Anschließend
werden die drei PWM-Signale PWM1, PWM2, PWM3 jeweils auf den Wert „1" gelegt,
so dass die oberen IGBTs 26a, 27a und 28a eingeschaltet
sind (403). Ein hierbei gemessener Überstrom wird im nächsten Schritt 404 als „Err1"
gespeichert.
Nachfolgend wird in einem weiteren
Schritt 405 überprüft, ob sowohl
der Fehler „Err0"
als auch der Fehler „Err1"
vorliegt. In diesem Fall wird eine Fehlermeldung 406 ausgegeben,
wonach ein Erdschluss vorliegt. Denn beim Vorliegen eines Erdschlusses
tritt in der entsprechenden Phase 11, 12 oder 13 des
Antriebsmotors 1 ein Überstrom
unabhängig
davon auf, welcher der beiden jeweils zugeordneten IGBTs eingeschaltet
ist.
Wird demgegenüber die Abfrage bei 405 verneint;
so wird in zwei weiteren Schritten 407 und 409 geprüft, ob einer
der beiden Fehler „Err0"
oder „Err1" vorliegt.
Im erstgenannten Fall liegt ein Kurzschluss in einem der oberen
IGBTs 26a, 27a, 28a vor, mit denen die
Motorphasen U 1, U2 und U3 auf die obere Zwischenkreisspannung Uz/2
geschaltet werden können.
Im anderen Fall liegt ein Kurzschluss in einem der unteren IGBTs 26b, 27b, 28b vor,
mit denen die untere Zwischenkreisspannung -Uz/2 auf die jeweilige
Motorphase U1, U2 bzw. U3 gelegt werden kann. Der Grund hierfür liegt
darin, dass bei einem Kurzschluss innerhalb eines IGBT eine Abschaltung wegen
eines Überstromes
genau dann erfolgt, wenn der jeweils andere IGBT desselben IGBT-Paares
eingeschaltet ist.
Die Detektion eines Kurzschlusses
in einem der oberen oder der unteren IGBTs führt zu einer entsprechenden
Fehlermeldung 408 bzw. 411. Eine separate Fehlermeldung 412 erfolgt,
wenn bei der Durchführung
des Testes weder ein Erdschluss noch ein Kurzschluss in einem der
IGBTs detektiert worden ist. Dies kann auch auf einen Fehler bei
der Ausführung
des Testes selbst hindeuten.