CN103941187B - 识别发电机***中的电气故障的方法及执行该方法的器具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定一发电机***（1）、尤其是一陆上交通工具的发电机***中的电气故障的方法，所述发电机***具有一发电机（10）和一整流器（30），其中，所述发电机具有一发电机调节器（20），所述整流器具有整流器元件（D1‑D6），其中，所述方法包括，在通过所述发电机（10）的一激励绕组（21）的至少一个激励电流的激励电流值（Ierr）的情况下，分别获知至少一个特征参量，所述至少一个特征参量相应于所述整流器元件（D1‑D6）中的至少一个整流器元件的通电时间份额，并且当所述至少一个特征参量与一配属的期望值以大于一预设的程度存在偏差时，确定存在一电气故障。用于执行该方法的器具同样是本发明的主题。

Description

识别发电机***中的电气故障的方法及执行该方法的器具

技术领域

本发明涉及用于识别发电机***中的电气故障的方法以及用于执行该方法的器具。

背景技术

用于陆上交通工具的发电机***典型地具有一他励发电机，其具有一激励绕组和一定子绕组、一联接在该定子绕组之后的整流器和一发电机调节器。该发电机调节器通过相应地设定通过所述激励绕组的电流来调节通过所述发电机产生的电压。所述发电机常常构造成爪极发电机。但本发明不限于在陆上交通工具中使用，而是也可以在空中交通工具和/或水上交通工具中的发电机***的情况下使用。

相应的交通工具的机载电网包括至少一个发电机***、至少一个电池和大量的电消耗器。随着在交通工具中、在陆上交通工具中例如在电子稳定性程序等等中的与安全相关的电气***的提高的推广度，对于机载电网的保护越来越重要。在此，特别重要的是防止过压。

过压尤其会从发电机***中的电气故障，例如定子场中的匝间短路、激励绕组中的匝间短路、电机（例如由于在那里构建的永磁铁的去磁引起）的磁性质的改变、整流器中的短路，或者影响所述发电机***的怠速电压的故障中得出。电气故障在本申请的范畴中理解为会影响通过发电机***馈入到联接的机载电网中的电压的所有故障。

为了能够识别电气故障，在JP 3374543 B2中记载到，在发电机***的整流器的直流电压侧和交流电压侧所施加的电压利用比较仪相互进行比较。通过所述方法可以识别到整流器中的短路，但无法识别到发电机内部的故障，例如在其定子绕组和/或激励绕组中的匝间短路。

因此，还需要用于识别在相应的发电机***中的电气故障的更好的可能性。

发明内容

在该背景下，本申请建议一种用于识别发电机***中的电气故障的方法以及用于执行该方法的器具。

发明优点

如前所述，通过已知的方法，即在发电机***的整流器的直流电压侧和交流电压侧所施加的电压利用比较仪相互进行比较，例如无法识别到发电机的定子绕组和/或激励绕组中的匝间短路。本发明克服了该缺点。本发明能够识别所有的、文章开头所提到的发电机***中的电气故障，例如定子场中的匝间短路、激励绕组中的匝间短路、电机的磁性质的改变、整流器中的短路以及影响所述怠速电压的故障。

本发明在一发电机***、尤其是陆上交通工具的发电机***中使用。如前所述，这种发电机***具有一发电机，该发电机具有一发电机调节器和一带有整流器元件的整流器。

相应的整流器一般是已知的。所述整流器元件可以在整流器中构造成传统的二极管或齐纳二极管。常见的用于对三相电流进行整流的六脉冲整流器具有例如六个整流器元件。在此，一个整流器元件也可以例如具有一对并联的二极管或多对并联的二极管。但本发明也可以在有源整流器中使用，其中，所述整流器元件构造成半导体开关，例如构造成金属氧化物半导体场效应晶体管。具有有源整流器的发电机***能够实现所述发电机的马达运行，其中，所述整流器被用于换向。

如前所述，所述发电机调节器通过向所述激励线圈的相应供电，例如通过脉冲宽度调制地操控一相应的半导体开关来调节所述发电机的输出电压。根据本发明的方法包括，在通过所述发电机的激励绕组的一激励电流的至少一个激励电流值的情况下，分别获知至少一个特征参量，其与所述整流器元件中的至少一个的通电时间份额相应。

所述通电时间份额在本申请的范畴中表示一时间区间的份额，在该时间区间内一电流流过一相应的整流器元件。当施加一与穿行方向相应的电压梯度时，该电流在一二极管中流动。

根据本发明确定，当所述至少一个特征参量与一配属的期望值以大于一预设的范围存在偏差时，存在一电气故障。在此，所述期望值涉及各激励电流值并且有利地也涉及一确定的发电机转速和一机载电网电压。预期值也可以例如从所述激励电流值和由此在完好的发电机的情况下所得出的特征参量之间的已知的关联中导出，例如借助于一特性曲线。该特性曲线适宜地涉及一恒定的发电机转速并且考虑所述机载电网电压。

在此，本发明可以从一方法出发，其中，利用比较仪将一施加在所述整流器的（至少）一个直流电压侧的接口上的电压和一施加在所述整流器的（至少）一个交流电压侧的接口上的电压进行评价。

在此，所述整流器的直流电压侧的接口被理解为所述整流器的两个接口，它们提供一直流电压并且馈入到所联接的机载电网中。通常针对直流电压侧的接口或电池极，根据其极性来采用命名B+和B-或G+和G-。所述直流电压侧的接口中的一个可以接地，在欧洲大陆的交通工具中典型地为负的。正的直流电压侧的接口在此位于一电势上，该电势相应于机载电网电压，例如12V，负的直流电压侧的接口位于0V。

相应地，所述整流器的交流电压侧的接口是如下的接口，利用所述接口将所述整流器与所述发电机连接。所述交流电压侧的接口也被称作相。其数量可以例如是三或五。但本发明也可以在四相、六相、七相或更多相的发电机***中使用。经由所述交流电压侧的接口将一通过所述发电机提供的交流电馈入到所述整流器中，该整流器将所述交流电转换成一直流电。

所述交流电压侧的接口中的每一个接口在整流器中经由一第一整流器元件与第一直流电压侧的接口连接，并且经由一第二整流器元件与第二直流电压侧的接口连接。所述整流器元件如此联接，使得一电流要么仅能够沿着一第一方向从相应的交流电压侧的接口经由所述第一半导体开关向所述第一（正的）直流电压侧的接口流动，要么仅能够沿着一第二方向从所述第二（负的）直流电压侧的接口经由所述第二半导体开关向相应的交流电压侧的接口流动。

利用本发明，在一完好的发电机***的发电机的最大激励的情况下，近似始终流动一电流，确切地说，近似50%的时间沿着所述第一方向流动，并且近似50%的时间沿着所述第二方向流动。即，所述第一整流器元件的通电时间份额和所述第二整流器元件的通电时间份额分别为近似50%。在具有电气故障的发电机***中，如下面所述，该通电时间份额即使在最大激励的情况下也无法实现。因此，其明显低于所述的50%，如在部分激励的发电机中也是这种情况。

因此，激励电流，作为针对所述电机的激励程度的一个尺度，在一完好的发电机***的情况下处于与所述整流器元件的每一个整流器元件的通电时间份额的已知的关联中。因此，在一完好的发电机***中，一针对一特征参量的期望值相应于每个激励电流，该特征参量与至少一个整流器元件的通电时间份额相关联。这至少针对各恒定的转速和机载电网电压有效。当在所述发电机***中存在电气故障时，得到了与该已知的关联的偏差。这刚好利用了本发明。

本发明例如从所述的利用比较仪的比较中导出所述特征参量。因此这是可行的，因为当所述电流沿着之前所述的第一方向从相应的交流电压侧的接口经由所述第一半导体开关向所述第一（正的）直流电压侧的接口流动（即从所述发电机经由所述整流器进入到所述机载电网中或者说从所述发电机中流出），则始终是施加在所述整流器的交流电压侧的接口上的电压大于施加在其正的直流电压侧的接口上的相应地整流过的电压。如果将所述电压例如利用一相应地联接的比较仪进行比较，则可以获得等于1的比较仪信号。在其余的时间区间中所述比较仪信号为零。如果接近50%的时间获得一等于1的比较仪信号并且接近50%的时间获得一等于零的比较仪信号，则所述第一和所述第二整流器元件的通电时间份额分别接近50%。在完全激励的发电机的情况下这意味着，所述发电机***不具有电气故障。

类似地也针对如下情况有效，其中，所述电流沿着之前所述的第二方向从所述第二（负的）直流电压侧的接口经由所述第二半导体开关向相应的交流电压侧的接口流动（即从所述机载电网经由所述整流器向所述发电机流动或者说流入到所述发电机中）。在此情况下，测量到的施加在所述整流器的交流电压侧的接口上的电压比在其负的直流电压侧的接口上的电压更小（比如当其负的直流电压侧的接口上的电压接地时，在所述整流器的交流电压侧的接口上的电压小于0V）。如前所述，所述电压也可以利用比较仪进行比较。

根据本发明的计算单元，例如一发电机调节器或一相应的控制器，作为用于执行根据本发明的方法的器具，尤其是程序技术地设置用于实施根据本发明的方法。

所述方法以软件的形式的执行也是有利的，因为其引起了特别小的费用，尤其是当实施的控制器还用于其它任务且因此无论如何都存在时。用于提供计算机程序的合适的数据载体尤其是软盘、硬盘、闪存、EEPROM、CD-ROM、DVD等。经由计算机网络（互联网、内部网）下载程序也是可行的。

本发明的其它优点和设计方案从说明书和附图中给出。

要理解的是，前面提到的和后面的还待阐释的特征能够不仅在各给出的组合中，而且在其它的组合中或者以单独的形式应用，而不会脱离本发明的范围。

本发明借助附图中的实施例示意示出并且随后在参考附图的情况下详细描述。

附图说明

图1 示出了在一发电机***中的激励电流和整流器电流之间的关联；

图2 示出了一根据现有技术的发电机***的示意图；

图3 示出了一根据本发明的一种实施方式的发电机***的示意图；

图4 示出了在一具有完全激励的发电机的发电机***中的电流和电压的信号走向；

图5 示出了在一具有未激励的或仅很小地激励的发电机的发电机***中的电流和电压的信号走向；

图6 示出了在一具有部分地激励的发电机的发电机***中的电流和电压的信号走向；

图7 示出了在一完好的发电机***的一激励电流和一整流器电流元件的特征参量之间的关联；

图8 示出了根据本发明的一种实施方式的电气故障的确定。

在附图中相互对应的元件以相同的附图标记示出，以省略重复说明。

具体实施方式

图1在一图表100中示出了在一发电机***的发电机中在不同转速的情况下，即在每分钟1800转（曲线101）、每分钟3000转（曲线102）和每分钟6000转（曲线103）的情况下，一在x轴上的激励电流lerr和一在y轴上的发电机电流IGen（分别以A为单位）之间的关联。可以看到，例如在1800转（曲线101）的情况下从一最小1A的激励电流开始才能够输出电流。本发明还能够实现，对所谓的起动电流（Angehstrom）进行可信度检验。

为此可以在所述的比较仪中，其在图3中详细示出，例如在一调节器中执行的情况下，获知所述激励电流，从该激励电流开始，所述比较仪信号刚好大于0。

图2示出了一根据现有技术的发电机***2的示意图。其包括自身的发电机10、一发电机调节器20，该发电机调节器具有一激励绕组21和一整流器30。所述发电机10是三相地构造的，从而所述发电机10和所述整流器30具有三个交流电压侧的接口U、V和W。所述交流电压侧的接口U、V和W分别与所述整流器30的基本上相同地构建的半桥31、32、33连接。所述整流器30的直流电压侧的接口以B+和B-来命名。

在所述整流器30的半桥31、32、33中分别布置有作为二极管示出的整流器元件D1至D6，它们能够实现一沿着之前所述的第一或第二方向的电流。相应的电流以I（D1）至I（D6）来说明。在此，负号说明了从相应的交流电压侧的接口U、V、W经由所标记的整流器元件D1、D3或D5至所述第一（正的）直流电压侧的接口B+（即从所述发电机10经由所述整流器30流入到所述机载电网中或者说从所述发电机10中流出）的第一方向，不具有正负号的数据说明了从所述第二（负的）直流电压侧的接口B-经由所标记的整流器元件D2、D4、D6至相应的交流电压侧的接口U、V、W（即从所述机载电网经由所述整流器30流向所述发电机10或者说流入到所述发电机10中的）第二方向。

经由相应地标记的导线，所述发电机调节器20可以评价施加在所述发电机10或所述整流器30的至少一个交流电压侧的接口，这里U上的电压、这里作为V（u）示出。所述发电机调节器20可以经由其频率来识别一发电机转速。所述发电机调节器20还可以评价一例如施加在所述正的直流电压接口B+上的直流电压。该直流电压可以用作针对一利用所述发电机调节器20来调节的通过所述激励绕组21的激励电流的输入参量。

图3示出了一根据本发明的一种实施方式的发电机***1的示意图。该发电机***1具有之前描述的发电机***2的主要元件。

此外，设置一比较仪22，其设置用于，将一施加在所述发电机10或所述整流器30的一交流电压侧的接口上的电压、这里V（u）和一施加在一直流电压接口、这里B+上的直流电压利用比较仪进行比较。

所述比较仪22和联接在其后的评价电路可以构造成所述发电机调节器20的一部分并且集成在一相应的壳体中。通过所述比较仪信号的评价，可以获知联接在各交流电压侧的接口上的整流器元件、这里D1和D2的通电时间份额，如部分地已经阐述。

在图4中展示了在一具有完全激励的发电机的发电机***、例如具有所述发电机10的发电机***1的情况下的电流和电压的信号走向。所有的信号走向都相对于x轴上的一以ms为单位的时间t来绘制。

图表A示出了一以V为单位的所述比较仪22的比较仪信号V（komp）。图表B示出了一施加在所述发电机10或所述整流器30的一交流电压侧的接口上的电压、这里V（v），以及一以V为单位的施加在一直流电压侧的接口、这里B+上的直流电压。所述信号原则上相应于能够在如图1中所示的发电机***1中进行评价的信号（V（u）和B+）。图表C示出了一以A为单位的通过所述激励绕组21流动的电流I（L1）。图表D示出了以A为单位的从所述发电机10经由所述整流器30和所述整流器元件D1至D6流入到所述机载电网中或者反过来流动的电流-I（D1）、I（D2）、-I（D3）、I（D4）、-I（D5）和I（D6）（关于正负号参见图2的描述）。所述电流中的每一个分别在一正弦信号的正半波和负半波期间流动。

从图4可见，当例如一电流-I（D3）从所述发电机10经由所述整流器元件D3流入到所述机载电网中（上述的第一方向）时，始终是施加在所配属的交流电压侧的接口上的电压V（v）大于施加在所述正的直流电压侧的接口B+上的电压。因此所述比较仪22响应，从而获得一比较仪信号V（komp）的一相应值（图表A）。所述比较仪信号V（komp）的电压可以任意地选择。

相应地，以相反的方向也有效的是，一电流I（D4）经由所述整流器元件D4流入到所述发电机10中（上述的第二方向）。这样，所测量到的施加在所配属的交流电压侧的接口上的电压V（v）小于施加在负的直流电压侧的接口B-上的电压。因此，这里一相应地反向配置的比较仪22也响应。

从图3中可见，所述比较仪信号V（komp）接近50%的时间处于1V的值上。这是因为，对置的整流器元件（这里示出的D3和D4）接近无停顿地转移电流。此外，所述电压V（v）具有在ps区域中的上升沿和下降沿。

虽然在图4中特别示出了所述整流器元件D3和D4，但要强调的是，相应的描述也对于其它的整流器元件以及它们的电流和电压有效。因此，也可以相应地评价其它的整流器元件以及它们的电流和电压。

图5示出了在一具有未激励的或仅很小地激励的发电机10的发电机***中的电流和电压的相应的信号走向。图表A至D相应于图4的图表A至D。这里，所述发电机10具有0A的输出电流。可以看到，所述比较仪信号V（komp）从未响应，电压V（v）自由浮动地在电压V（b+）和0V（接地的负的直流电压侧的接口B-的电压）之间的范围中运动。但所述电压V（v）针对一电流-I（D3）或I（D4）是不够的。

图6示出了在一具有部分地激励的电机的发电机***1中的电流和电压的信号走向。图表A至D相应于图4和5的图表A至D。

所述比较仪信号V（komp）虽然响应，但在其响应期间的持续时间明显低于总时间的50%。所述电压V（v）需要可识别的时间，用以从0V升高到V（b+）。在该中间时间中出现一停顿，在该停顿中没有电流经由相应的相分支流动。这相应于在图表D中在I（D4）和-I（D3）之间的停顿。因此，所述电压V（v）必须首先超过所述电压V（b+），直到相应的电流-I（D3）能够经由所述整流器元件D3沿着所述第一方向流入到所述机载电网中。相反地，所述电压V（v）必须首先低于所述电压V（b-）、这里0V，直到所述电流-I（D4）能够经由所述整流器元件D4沿着所述第二方向流入到所述整流器10中。

总体上可见，在通过所述整流器元件D1至D6分别流动一电流-I（D1）、I（D2）、-I（D3）、I（D4）、-I（D5）或I（D6）期间的时间份额（这里称作通电时间份额）或相应的通电的持续时间（这里称作通电持续时间）以提高的激励电流升高并且直至50%的通电时间份额结束。该效应尤其在低转速的情况下产生。因此，可以经由所述通电时间份额在固定的转速的情况下在改变的激励电流的情况下描述出一发电机10的怠速电压的走向的特性。

如果将所述通电时间份额（或所述通电持续时间）关于所述激励电流进行描绘，则得到了相应于图7的示图。图7示出了在x轴上的一以A为单位的激励电流Ierr和在左边的y轴上的以μs为单位的通电持续时间或者在右边的y轴上以百分比为单位的通电时间份额之间的关联，作为一完好的发电机***的整流器元件的特征参量。

特征曲线701相应于所述通电持续时间，特性曲线702相应于所述通电时间份额。要注意的是，所述特性曲线与所述机载电网电压（比如电压B+）相关，因为该机载电网电压首先必须被相应的电压V（u）、V（v）和V（w）超过。在所述特性曲线中的拐点特别是在五相的发电机***中要注意。在5相的发电机中在相电压走向中出现一拐点。随着超过所述拐点直到B+或B-，所述通电持续时间经历一不连续性。

本发明例如规定，在图7中记录类似于特性曲线701和702的一个或多个特性曲线。这可以例如在车间中，但在任何情况下都可以在已知的完好的发电机***1中进行。在此情况下，考虑瞬时的机载电网电压，优选所述调节电压。因此，一个或多个特性曲线说明了在一完好的发电机***1中在至少两个激励电流值（Ierr）的情况下针对所述通电持续时间或所述通电时间份额的期望值。也可以使用与所述通电时间份额相应的推导出的特征参量。所述一个或所述多个特性曲线可以保存在所述发电机调节器20的非易失性存储器中。

在运行中，可以在所述发电机10的一恒定的转速的情况下通过在恒定的转速下（理想地在空转中）缓慢地提高所述激励电流来进行瞬时的发电机值的检测。在与从所述一个或所述多个特性曲线中推导出的预期值强烈偏差的情况下，可以导入一故障反应（例如中止一故障位、具有减小的功率的应急功能或切断所述发电机10）。

图8示出了根据本发明的一种实施方式参照在一整流器分支短路的情况下的***行为来确定电气故障。这里，图表A、B和D相应于图4至6的图表A、B和D。此外，在图表E中展示了施加在所有的交流电压侧的接口U、V和W上的电压V（u）、V（v）和V（w）。

在t=20ms的情况下，在具有所述交流电压侧的接口U的相分支中出现一短路，从而在该相分支上不再存在电压信号V（u）（图表B）。由此获得了在电流I（U）、I（V）和I（W）中的明显的不对称（图表D）。由于通过所述短路而提高的电流I（U），虽然在较低的激励电流的情况下就已经激活了所述比较仪信号V（komp），但从未到达50%或接近50%的通电时间份额。在所述发电机10中产生的电流的高的份额被短路。由此（无论在哪个相中）在哪里都无法产生50%的通电时间份额。

Claims (11)

1.用于确定一发电机***（1）中的电气故障的方法，所述发电机***具有一发电机（10）和一整流器（30），其中，所述发电机具有一发电机调节器（20），所述整流器具有整流器元件（D1-D6），其中，所述方法包括，在通过所述发电机（10）的一激励绕组（21）的至少一个激励电流的激励电流值（Ierr）的情况下，分别获知至少一个特征参量，所述至少一个特征参量相应于所述整流器元件（D1-D6）中的至少一个整流器元件的通电时间份额，并且当所述至少一个特征参量与一配属的期望值偏差得比预设更大时，确定存在一电气故障，其中，所述期望值分别从一特性曲线（701、702）中导出，所述特性曲线说明了在一已知的完好的发电机***（1）的情况下针对至少两个激励电流值（Ierr）的特征参量的值。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，所述发电机***（1）是陆上交通工具的发电机***。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其中，所述特征曲线（701、702）说明了通电时间份额和/或通电持续时间，所述通电时间份额和/或通电持续时间在已知的完好的发电机***（1）中，在至少两个不同的激励电流值（Ierr）的情况下，在所述发电机（10）的一预设的转数和/或在所述整流器（30）的直流电压侧的接口（B+、B-）之间的一预设的电压降的情况下获得。

4.按照权利要求1或2所述的方法，所述方法在所述发电机（10）的恒定的转数的情况下实施。

5.按照权利要求1或2所述的方法，其中，当所述至少一个特征参量说明，所述整流器元件（D1-D6）中的至少一个整流器元件在一最大的激励电流（Ierr）的情况下的通电时间份额明显高于或低于50%时，确定存在一电气故障。

6.按照前述权利要求5所述的方法，其中，当所述至少一个特征参量说明，所述整流器元件（D1-D6）中的至少一个整流器元件在一最大的激励电流（Ierr）的情况下的通电时间份额低于45%、40%、30%或20%或高于55%、60%或70%时，确定存在一电气故障。

7.按照权利要求1或2所述的方法，其中，所述至少一个特征参量通过评价至少一个施加在所述整流器（30）的一交流电压侧的接口（U、V、W）上的交流电压（V（u）、V（v）、V（w））和至少一个施加在所述整流器（30）的一直流电压侧的接口（B+、B-）上的直流电压（V（b+）、V（b-））来获知。

8.按照权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个特征参量基于一利用比较仪将所述交流电压（V（u）、V（v）、V（w））中的至少一个交流电压与所述直流电压（V（b+）、V（b-））中的至少一个直流电压进行比较来获知。

9.发电机调节器（20），其设置用于实施按照前述权利要求中任一项所述的方法，所述发电机调节器具有一比较仪（22）和一计算单元，所述比较仪设置用于将至少一个施加在所述整流器（30）的至少一个交流电压侧的接口（U、V、W）上的交流电压（V（u）、V（v）、V（w））与至少一个施加在所述整流器的一直流电压侧的接口（B+、B-）上的直流电压（V（b+）、V（b-））进行比较，并且基于所述比较，利用所述计算单元，能够确定所述至少一个特征参量，其中，当所述至少一个特征参量与一配属的期望值偏差得比预设更大时，确定存在一电气故障，其中，所述期望值分别从一特性曲线（701、702）中导出，所述特性曲线说明了在一已知的完好的发电机***（1）的情况下针对至少两个激励电流值（Ierr）的特征参量的值。

10.按照权利要求9所述的发电机调节器（20）的计算单元，其设置用于实施按照权利要求1至8中任一项所述的方法。

11.机器可读的存储介质，具有存储在其上的计算机程序，所述计算机程序具有程序代码装置，当所述程序代码装置在按照权利要求10所述的计算单元上实施时，所述程序代码装置操纵所述计算单元来实施按照权利要求1至8中任一项所述的方法。