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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Früherkennung eines Generatordefekts an einem Generator mit Erregerkreis gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Erkennung eines Generatordefekts gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
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Eine frühzeitige Erkennung eines Generatordefekts ist insbesondere dann wichtig, wenn sicherheitsrelevante Einrichtungen am Generator angeschlossen sind, die von einem möglichen Generatorausfall betroffen sein können. Gerade in Kraftfahrzeug-Bordnetzen, in denen in der Regel eine Vielzahl sicherheitsrelevanter Einrichtungen, wie z. B. Fahrdynamikregelungssysteme, ASR-Systeme oder andere sicherheitsrelevante Steuerungen angeschlossen sind, kann durch einen Generatorausfall, aber auch schon durch eine Generator-Minderleistung aufgrund eines Generatordefekts, ein erhebliches Sicherheitsrisiko entstehen.
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Es ist bereits bekannt, Generatorfehler durch Schwellenwertüberwachung der Netzspannung (Spannung des vom Generator versorgten Netzes) festzustellen. Dabei ist es jedoch nur möglich, gravierende Generatordefekte und insbesondere den Totalausfall des Generators, z. B. aufgrund einer elektrischen Unterbrechung oder eines Kurzschlusses im Läufer, festzustellen. In diesen Fällen sinkt nämlich die Netzspannung drastisch ab und unterschreitet vorgegebene Schwellenwerte, wodurch ein Generatordefekt erkannt werden kann.
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Nicht erkannt werden dagegen weniger gravierende Generatordefekte, wie z. B. Teilkurzschlüsse oder erhöhte Widerstände im Erregerkreis des Generators, die ebenfalls zu einer Minderleistung führen, die sich aber noch nicht so stark auswirkt, dass die genannten Schwellenwerte für die Netzspannung unterschritten werden. Diese weniger gravierenden Fehler stellen jedoch erste Anzeichen für einen möglichen späteren Ausfall des Generators dar. Bislang ist es noch nicht möglich, derartige Generatorfehler zu erkennen.
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Aus der
DE 40 37 640 A1 ist ein Spannungsregler für einen Generator bekannt, bei dem zur Steuerung des Erregerstroms ein Schalttransistor verwendet wird. Der Schalttransistor wird mittels eines getakteten Signals angesteuert, wobei das Tastverhältnis des Ansteuersignales maßgeblich ist für den Erregerstrom.
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Aus der
DE 196 23 808 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die es ermöglicht, den Erregerstrom, die Erregerspannung und einen möglichen Erdschluss der Läuferwicklung einer elektrodynamischen Maschine während des Betriebs zu überwachen.
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Die
DE 37 30 829 A1 betrifft einen Überlastschutz für den Erregerkreis einer Synchronmaschine, bei dem der Erregerstrom aus gemessenen Größen ermittelt wird und bei Überschreiten eines zulässigen Höchstwertes ein Überlastschutz aktiviert wird.
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Aus der
DE 29 26 705 A1 ist eine Schaltung zur Erfassung von Defekten in Fahrzeugbordnetzen bekannt, bei der Defekte des Erregerkreises einer im Bordnetz enthaltenen Lichtmaschine optisch angezeigt werden. Insbesondere gravierende Fehler wie Über- oder Untererregung der Lichtmaschine werden angezeigt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. der solche weniger gravierenden Generatordefekte festgestellt werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, den im Erregerkreis des Generators fließenden Erregerstrom sowie das zugehörige Tastverhältnis zu ermitteln, mit dem ein im Erregerkreis angeordneter Schalter (Endstufentransistor) angesteuert wird. Auf der Grundlage des Tastverhältnisses und des Erregerstroms kann ein Generatordefekt bereits vor dem völligen Ausfall des Generators erkannt werden.
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Bei einem funktionsfähigen Generator steht der Erregerstrom immer in einem vorgegebenen Verhältnis zum aktuellen Tastverhältnis. Verschiebt sich dieses Verhältnis, so weist dies auf einen Generatordefekt hin.
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Ein Teilkurzschluss zwischen mehreren Wicklungen des Erregerkreises beispielsweise verändert den Gesamtwiderstand des Erregerkreises und hat somit Auswirkungen auf den im Erregerkreis fließenden Erregerstrom. Ebenso hat eine Veränderung des Übergangswiderstandes (z. B. durch Korrosion) zwischen einer Schleifkohle und einem Schleifring eines Generators mit Erregerwicklung im Läufer, wie z. B. einem Klauenpolgenerator, eine Veränderung des Gesamtwiderstands des Erregerkreises und somit eine Änderung des im Erregerkreis fließenden Erregerstroms zur Folge. Der Erregerstrom, der sich aufgrund unterschiedlicher mechanischer Effekte oder Alterungserscheinungen ändern kann, gibt somit Aufschluss über den Generatorzustand.
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Stellt sich bei einem vorgegebenen Tastverhältnis ein Erregerstrom ein, der außerhalb eines noch tolerierten Bereichs liegt, so kann auf einen Generatordefekt geschlossen werden. Diese Erkennung erfolgt üblicherweise durch Schwellenwertüberwachung.
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Die entsprechenden Schwellenwerte, z. B. für den Erregerstrom, das Tastverhältnis oder ein aus diesen beiden Werten gebildetes Verhältnis sind vorzugsweise im System hinterlegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verhältnis aus dem aktuellen Erregerstrom und dem aktuellen Tastverhältnis gebildet und dieses mit vorgegebenen Schwellenwerten verglichen.
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Vorzugsweise werden bei der Bestimmung des Generatorzustands weitere Faktoren berücksichtigt, die den Erregerstrom beeinflussen. Dadurch können äußere Einwirkungen von internen Defekten besser unterschieden werden.
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Einer dieser Einflüsse ist die Temperatur und insbesondere die Generatortemperatur, die einen Einfluss auf den Gesamtwiderstand des Erregerkreises und somit auf den Erregerstrom hat. Die im System hinterlegten Schwellenwerte sind somit vorzugsweise auch eine Funktion der Temperatur.
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Ferner wird vorzugsweise die am Erregerkreis anliegende Erregerspannung berücksichtigt, da die Erregerspannung den Erregerstrom ebenfalls beeinflusst.
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Neben dieser elektrischen Überwachung kann auch noch der mechanische Zustand des Generators, insbesondere der Zustand der Generatorlager überwacht werden. Dies kann z. B. durch eine Geräuschmessung mit Schwellenwertüberwachung oder durch Vibrations- bzw. Beschleunigungsmessung erfolgen. Ergeben sich beispielsweise in einem bestimmten Drehzahlbereich des Generators anomale Vibrationen, kann dies durch einen Beschleunigungssensor erfasst und ein mechanischer Generatordefekt festgestellt werden.
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Bei Feststellung eines Generatordefekts wird vorzugsweise eine Generator-Fehlermeldung, beispielsweise durch optische oder akustische Anzeige, ausgegeben. Im Falle eines Bordnetzgenerators eines Kfz kann beispielsweise auch ein Eintrag in eine elektronische Mängelliste erfolgen. Dabei sind je nach Schwere des Defekts unterschiedliche Einträge denkbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Kfz-Bordnetzes mit einem Generator und einem Generatorregler; und
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2 ein Flussdiagramm zur Darstellung der wesentlichen Verfahrensschritte der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kfz-Bordnetzes mit mehreren elektrischen Verbrauchern, von denen hier nur ein Verbraucher 2 exemplarisch dargestellt ist. Zum Ein- und Ausschalten der Verbraucher 2 ist jeweils ein Schalter S vorgesehen.
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Die Verbraucher 2 werden von einem Generator 1 und einer Batterie 3 mit elektrischer Energie versorgt.
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Bei dem Generator 1 handelt es sich üblicherweise um einen Klauenpolgenerator mit einer im Läufer angeordneten Erregerwicklung 5. Der Generator 1 umfaßt ferner einen Generatorregler 4 zur Einstellung der Generatorausgangsleistung.
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Der Generatorregler 4 umfasst hierzu einen im Erregerkreis 7 des Generators 1 angeordneten Schalter 6 (Endstufentransistor), der in Abhängigkeit von der elektrischen Belastung des Generators 1 mit einem vorgegebenen Tastverhältnis ein- und ausgeschaltet wird. Dabei stellt sich ein Erregerstrom Ierr ein, der vom Tastverhältnis (DF-Signal), dem Gesamtwiderstand des Erregerkreises 7 sowie einer Erregerspannung Uerr abhängig ist.
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Während der Lebensdauer des Generators 1 können verschiedene mechanische oder elektrische Defekte im Generator, wie z. B. Teilkurzschlüsse, erhöhte Widerstände zwischen Kohle und Schleifring des Generators 1, sowie Alterungserscheinungen, wie z. B. Korrosion, auftreten, die den Gesamtwiderstand des Erregerkreises 7 verändern. Bei gleicher Erregerspannung Uerr und vorgegebenem Tastverhältnis ändert sich somit auch der Erregerstrom Ierr. Generatordefekte, bei denen der Generator 1 zwar noch funktionsfähig ist, aber nur noch eine Minderleistung erzeugt, können somit unter Berücksichtigung des Tastverhältnisses DF und des Erregerstroms Ierr erkannt werden.
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Zur Früherkennung solcher Generatordefekte ist eine Einrichtung 8 vorgesehen, der der von einer Messeinrichtung 9 gemessene Erregerstrom sowie das DF-Signal zugeführt wird. Die Einheit 8 kann aus den beiden zugeführten Größen durch Schwellenwertüberwachung einen Generatordefekt erkennen und geeignete Maßnahmen einleiten.
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Um einen Generatordefekt festzustellen, bildet die Einheit 8 vorzugsweise ein Verhältnis aus dem Erregerstrom Ierr und dem Tastverhältnis DF und vergleicht dieses Verhältnis mit vorgegebenen Schwellenwerten. Bewegt sich das Verhältnis in einem Toleranzbereich zwischen zwei Schwellenwerten, so ist der Generator 1 voll funktionsfähig. Über- bzw. unterschreitet das Verhältnis dagegen eine der vorgegebenen Grenzen, so kann von einem Generatordefekt ausgegangen werden.
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Die Schwellenwerte sind z. B. ebenfalls in der Einrichtung 8 hinterlegt.
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Da der Gesamtwiderstand des Erregerkreises 7 und somit auch der Erregerstrom Ierr nicht nur von internen Defekten, sondern auch von externen Einflussgrößen abhängig ist, werden vorzugsweise auch solche externen Einflussgrößen, wie z. B. die Temperatur oder die Erregerspannung Uerr bei der Fehlererkennung berücksichtigt.
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In diesem Fall wird der Einrichtung 8 die entsprechende Gröle, z. B. die Temperatur oder die Erregerspannung, ebenfalls zugeführt, um diese zu berücksichtigen. In diesem Fall sind die Schwellenwerte eine Funktion der Temperatur und/oder der Erregerspannung Uerr.
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Bei Feststellung eines Generatordefekts kann die Einheit 8 beispielsweise die Ausgabe eines optischen oder akustischen Signals bewirken, welches auf den entsprechenden Fehler hinweist. Alternativ kann auch ein Eintrag in eine Mängelliste erfolgen, die beim nächsten Kfz-Service ausgelesen wird.
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2 zeigt nochmals die wesentlichen Verfahrensschritte bei der Früherkennung eines Generatordefekts.
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Dabei wird in Schritt 10 zunächst das aktuelle Tastverhältnis (DF-Signal) ermittelt und in Schritt 11 der vom Strommesser gemessene Erregerstrom Ierr eingelesen. Aus diesen beiden Werten wird in Schritt 12 ein Verhältnis V gebildet, das in Schritt 13 mit vorgegebenen Schwellenwerten SW verglichen wird. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob der bei dem aktuellen Tastverhältnis DF fließende Erregerstrom Ierr innerhalb des durch die Schwellenwerte SW begrenzten Toleranzbereichs liegt. Ergibt die Abfrage in Schritt 13, dass das Verhältnis V innerhalb des Toleranzbereichs liegt (J), so ist die Prozedur beendet. Liegt das Verhältnis dagegen außerhalb des Toleranzbereichs (N), so wird in Schritt 14 eine Fehlermeldung ausgegeben. Dies kann z. B. in Form optischer oder akustischer Signale erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Generator
- 2
- Verbraucher
- 3
- Batterie
- 4
- Generatorregler
- 5
- Erregerwicklung
- 6
- Endstufenschalter
- 7
- Erregerkreis
- 8
- Verarbeitungseinheit
- 9
- Strommesser
- 10–14
- Verfahrensschritte
- Ierr
- Erregerstrom
- Uerr
- Erregerspannung
- DF
- Taktsignal
- UN
- Netzspannung
- S
- Schalter
