DE10112569A1 - Verfahren zur Diagnose von elektrischen Verbindungen an elektrischen Maschinen - Google Patents
Verfahren zur Diagnose von elektrischen Verbindungen an elektrischen MaschinenInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Diagnose einer elektrischen Maschine (1) wie z. B. einem Generator in einem Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine enthält eine Ständerwicklung (2), die Wicklungen (5, 6, 7) umfaßt. Die elektrische Maschine (1) kann entweder an einem Gleichrichter- oder an einem Pulswechselrichter betrieben werden, wobei den einzelnen Phasensträngen (9) des R-S-T-Systems der elektrischen Maschine (1) Stromsensoren (10) zugeordnet sind. Die Kontaktfähigkeit elektrischer Verbindungen (3, 4, 8) wird durch Aufbringen definierter Spannungsmuster (24, 25, 26) auf die Wicklungen (5, 6, 7) und durch die Messung der sich einstellenden Phasenströme (17, 18, 19) ermittelt.
Description
Bei elektrischen Maschinen, z. B. Generatoren, die stationär zur Energieerzeugung für das
Festnetz eingesetzt werden oder zur Energieerzeugung in Fahrzeugen eingesetzt werden,
lassen sich Gleich- oder Pulswechselrichter einsetzen. Der Gleichrichter- oder Pulswech
selrichter steht über Leiterdrähte mit den Ständerdrähten der Ständerwicklung der elektri
schen Maschine in Verbindung. Sind der Gleich- oder der Pulswechselrichter an unter
schiedlichen Konsolen, z. B. bei Einsatz im Motorraum eines Fahrzeugs - aufgenommen,
die ein unterschiedliches Schwingungsverhalten nach Erschütterungen aufweisen, kann es
zum Bruch elektrischer Verbindungsstellen zwischen den Ständerdrähten und den elektri
schen Leitern zum Gleich- oder Pulswechselrichter kommen.
Ist eine Verbindungsstelle zwischen Pulswechselrichter bzw. Gleichrichter und der elektri
schen Maschine unterbrochen, so kann die elektrische Maschine ausfallen. Fällt z. B. der
Generator während des Betriebes einer Verbrennungskraftmaschine in Kraftfahrzeugen
aus, so wird dies vom Fahrer zunächst nicht bemerkt. Die Kfz-Batterie wird bei Ausfall des
Generators nicht mehr aufgeladen, sondern stellt die Spannungsversorgung im Kraftfahr
zeugbordnetz bei ausgefallenem Generator entsprechend ihres jeweiligen Ladezustandes
sicher, ohne ihrerseits aufgeladen zu werden. Die Folge kann eine nahezu vollständig ent
ladene Kfz-Batterie sein, deren Restladung insbesondere bei tieferen Außentemperaturen
kaum mehr zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine ausreicht. Handelt es sich um
eine direkt einspritzende Verbrennungskraftmaschine, wird das Restspannungsniveau
kaum mehr zum Durchdrehen des Anlassers ausreichen.
Was für in Kraftfahrzeugen eingesetzte, als Generatoren betreibbare elektrische Maschinen
gilt, hat prinzipiell auch Gültigkeit für stationäre elektrische Maschinen, die im Betrieb
ebenfalls Erschütterungen ausgesetzt sein können, was bei Bruch einer Verbindungsstelle
ebenfalls in den Ausfall der elektrischen Maschine nach sich ziehen kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die elektrischen Verbindungsstellen zwi
schen der elektrischen Maschine und einem dieser zugeordneten Gleichrichter oder Puls
wechselrichter auf Kontaktfähigkeit überprüft und überwacht werden. Die elektrischen
Verbindungsstellen können z. B. als Schweißkontakte, Lötkontakte oder dergleichen be
schaffen sein und vor Einschalten der elektrischen Maschine durch geeignete Ansteuerung
überprüft werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt, welches an elektrischen Maschinen in
Stern- und in Dreieckschaltung Anwendung finden kann, lässt sich an den Ständerdrähten
der Ständerwicklung der elektrischen Maschine eine definierte Spannung einprägen, wo
durch sich ein entsprechender Stromfluß einstellt. Über die Ströme kann gezielt ermittelt
werden, ob die elektrischen Schweißstellenkontakte noch leiten oder unterbrochen sind. So
können unterbrochene elektrische Kontakte mit hoher Zuverlässigkeit ermittelt werden.
Die Detektion der Unterbrechung einer oder mehrerer elektrischer Verbindungsstellen er
laubt das Ergreifen von Schutzmaßnahmen für andere der elektrischen Maschine nachge
schaltete oder untergeordnete Systeme. Zum einen läßt sich bei Detektion einer oder meh
rerer unterbrochener elektrischer Verbindungsstellen eine Diagnosemeldung "Generator
defekt" ausgeben. Diese Diagnosemeldung kann sowohl auf dem Armaturenbrett eines
Kraftfahrzeuges dem Fahrer angezeigt werden, so daß dieser gewarnt ist. So kann einerseits
der weitgehend unbemerkt erfolgenden Entladung durch Anpassung des Verbrauchsver
haltens, d. h. des Abschaltens elektrischer Verbraucher vorgebeugt werden, andererseits läßt
sich so rechtzeitig auftretenden Generatorbränden durch Generatorüberhitzung vorbeugen.
Daneben kann eine entsprechende Diagnosemeldung auch auf einem Leitstand eines der
stationären Energieerzeugung dienenden Generators ausgegeben werden.
Wird die Unterbrechung durch das Aufprägen definierter Spannungen auf die Ständer
drähte detektiert, kann eine schadhafte elektrische Verbindungsstelle zuverlässig lokalisiert
werden. Bei Einsatz eines Pulswechselrichters an der elektrischen Maschine kann die Ver
fügbarkeit der elektrischen Maschine dadurch beibehalten oder zumindest verlängert wer
den, daß die verbleibenden Ständerwicklungen versetzt angesteuert werden und somit die
jenige Ständerwicklung, an der eine elektrische Verbindungsstelle unterbrochen ist, nicht
mehr angesteuert wird. So lassen sich Notlaufeigenschaften erzielen, die einen Betrieb des
Generators sicherstellen, bis eine Instandhaltung der schadhaften elektrischen Verbin
dungsstelle erfolgen kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich den Ständerwicklungen abhängig von
der verfügbaren Anzahl von Stromsensoren bei Einsatz eines Stromsensors pro Phase die
Phasenstromverhältnisse ermitteln. Werden lediglich zwei Stromsensoren bei einem Drei
phasen-R-S-T-System eingesetzt, kann eine Absolutmessung der jeweils fließenden Pha
senströme erfolgen. Beide Vorgehensweisen erlauben eine Lokalisierung einer unterbro
chenen elektrischen Verbindung vor Inbetriebnahme der elektrischen Maschine.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Verschaltungsschema einer dreiphasigen Ständerwicklung einer
elektrischen Maschine mit Überwachungsschaltung,
Fig. 2 eine in Dreieckschaltung geschaltete Ständerwicklung einer elektrischen
Maschine.
Fig. 1 zeigt das Verschaltungsschema einer dreiphasigen Ständerwicklung einer elektri
schen Maschine mit Überwachungsschaltung.
Aus der Abbildung gemäß Fig. 1 geht eine Ständerwicklung 2 einer hier lediglich sche
matisch wiedergegebenen elektrischen Maschine 1 näher hervor. Bei der elektrischen Ma
schine 1 gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 1 kann es sich sowohl um einen in
einem Kraftfahrzeug aufgenommenen zur Spannungsversorgung von dessen Bordnetz die
nenden Generator als auch um einen stationären Generator handeln, der zur Einspeisung
von Energie in das öffentliche Stromnetz dient.
In Kraftfahrzeugen lassen sich zur Versorgung des Bordnetzes z. B. Klauenpolgeneratoren
einsetzen, die sowohl an einem Gleichrichter als auch an einem Pulswechselrichter betrie
ben werden können. Wird der Generator über einen Pulswechselrichter betrieben, so weist
dieser in der Regel mehrere, der Anzahl der Phasenstränge der elektrischen Drehfeldmaschine
entsprechende Stränge auf. In jedem Strang des mehrsträngigen Pulswechselrichters
sind in Parallelschaltung ein Transistor sowie eine Sperrdiode aufgenommen, wodurch sich
beim Betrieb des Generators an dem mehrsträngigen Pulswechselrichter ausgangsseitig ein
leicht erhöhtes Spannungsniveau (42 V) in bezug auf die Kfz-Batteriespannung (36 V)
erzeugen läßt.
Die Ständerwicklung 2 der elektrischen Maschine 1 umfaßt drei Wicklungen, die erste
Wicklung 5 (U), die zweite Wicklung 6 (V) sowie eine dritte Wicklung 7 (W). Die Wick
lungen 5, 6 und 7 der Ständerwicklung 2 der elektrischen Drehfeldmaschine sind über ei
nen Ständerdraht 4 miteinander verbunden. Die einzelnen Ständerdrahtabschnitte sind in
bezug auf die erste Wicklung 5 (U) mit I und II bezeichnet. In bezug auf die zweite Wick
lung 6 (V) sind die dieser zugeordneten Ständerdrahtabschnitte 4 mit den römischen Zif
fern III und IV bezeichnet. Schließlich sind der dritten Wicklung 7 (W) die Ständer
drahtabschnitte V und VI zugeordnet. Die aufgezählten Abschnitte I, II, III, IV, V, VI des
Ständerdrahtes 4 lassen sich auf mögliche Bruchstellen 8 durch die in Fig. 1 dargestellte
Verschaltung abprüfen. Dazu sind pro Wicklung 5, 6 und 7 der Ständerwicklung 2 elektri
sche Verbindungsstellen 3 vorgesehen, die einem jeden der drei Phasenstränge 9 im R-S-T-
System entsprechen. Gemäß der Ausführungsvariante in Fig. 1 ist jedem der drei Pha
senstränge 9 des R-S-T-Systems ein eigener Stromsensor z. B. ein Amperemeter zugeord
net. Anstelle der in Fig. 1 vorgesehenen Zuordnung eines Stromsensors 10 für jeden Pha
senstrang 9 im R-S-T-System können auch lediglich zwei oder nur ein Stromsensor den
drei Phasensträngen 9 des R-S-T-Systems zugeordnet werden.
Der Ständerwicklung 2 der elektrischen Drehfeldmaschine 1 ist eine mit Bezugszeichen 11
bezeichnete Prüfschaltung zugeordnet. Die Prüfschaltung umfaßt eine Anzahl von Schal
tern S1, S2, S3, S4, S5 sowie S6. Die Prüfschaltung 11 ist mit einer Spannungsquelle 12 ver
bunden, über welche einer durch die Batteriespannung 13 gegebene Spannung U den ein
zelnen Abschnitten I, II, III, IV, V des Ständerdrahtes 4 und damit den einzelnen Wicklun
gen 5, 6 bzw. 7 der Ständerwicklung 2 aufgeprägt werden kann. Durch Öffnen oder Schlie
ßen eines oder mehrerer Schalter S1, bis S6 der Prüfschaltung 11 gemäß Fig. 1 lassen sich
den einzelnen Phasensträngen 9 des R-S-T-Systems und damit den einzelnen Wicklungen
5, 6 und 7 der Ständerwicklung 2 wohl definierte Spannungsmuster 24, 25, 26 (vergleiche
Tabelle) aufprägen.
Da durch die Schalterstellung innerhalb der Prüfschaltung 11 genau definiert ist, in wel
chem der Abschnitte I, II, III, IV, V und VI und damit in welcher jeweiligen Wicklungen 5
bzw. 6 bzw. 7 eine Bruchstelle 8 im Ständerdraht 4 aufgetreten ist, läßt sich die entspre
chende Wicklung bei der Ansteuerung der Ständerwicklung 2 durch den dieser vorgeschalteten
Pulswechselrichter ausblenden, d. h. lediglich die noch intakten Wicklungen der
Wicklungen 5, 6 und 7 der Ständerwicklung 2 der elektrischen Drehfeldmaschine 1 werden
durch die Transistoren des Pulswechselrichters angesteuert. Damit lassen sich an der elek
trischen Drehfeldmaschine Notlaufeigenschaften realisieren, die einen eingeschränkten
Betrieb der elektrischen Maschine ermöglichen, bzw. den Ausfallzeitpunkt der elektrischen
Maschine 1 hinauszögern.
Aus der nachstehend wiedergegebenen Tabelle gehen die einzelnen mittels der Prüfschal
tung 11, die Schalter S1, S2, S3, S4, S5 sowie S6 enthaltend näher hervor.
Aus der in der oben stehenden Tabelle hervorgehenden Wiedergabe von drei Spannungs
mustern 24, 25 bzw. 26 geht hervor, daß in der jeweils im Feld mit der Ziffer 1 belegten
Teilfeld entsprechenden Phase der Phasenstränge 9 im R-S-T-System der Strom I anliegt.
In den verbleibenden Feldern sind jeweils die resultierenden Stromwerte in einer als Drei
eckschaltung 23 konfigurierten Ständerwicklung 2, die Einzelwicklungen 5, 6 und 7 ent
haltend wiedergegeben. Im zweiten Spannungsmuster 25 ist der mittlere der Phasenstränge
im R-S-T-System mit dem Stromwert I beaufschlagt während die Teilfelder die dem Pha
senstrang R bzw. dem Phasenstrang T entsprechen mit 0 belegt sind. In analoger Weise ist
im dritten Spannungsmuster 26 der der Phase T entsprechende Phasenstrang 9 der elektri
schen Maschine im R-S-T-System mit dem Strom beaufschlagt, während die den Pha
sensträngen R und S entsprechenden Teilfelder des dritten Spannungsmusters mit dem
Wert "0" belegt sind.
Der Darstellung gemäß der oben stehenden Tabelle ist zu entnehmen, daß z. B. beim Anle
gen des ersten Spannungsmusters 24 (1-0-0) und einer Unterbrechung des Ständerdrahtes 4
im Abschnitt III nicht erkannt wird, ob eine Unterbrechung des Ständerdrahtes 4 vorliegt
oder nicht. Die sich gemäß des ersten Spannungsmusters 24 einstellenden Stromverhältnis
se entsprechen denen, die sich bei einer nicht vorliegenden Unterbrechung des Ständer
drahtes 4 einstellen. Zur Überprüfung der Plausibilität, der durch Anlegen des ersten Span
nungsmusters 24 erhaltenen Aussage hinsichtlich des Vorliegens einer Bruchstelle 8 im
Ständerdraht 4 der Ständerwicklung 2 ist es erforderlich, ein zweites Spannungsmuster 25
anzulegen. Gemäß der oben stehenden Tabelle kann das zweite Spannungsmuster mit den
Werten 0-1-0 belegt sein. Bei Aufprägen eines zweiten Spannungsmusters 25 gemäß der
oben stehenden Tabelle wird am Ständerdrahtabschnitt III des Ständerdrahtes 4 die Unter
brechung angezeigt. Zur Detektion einer Unterbrechung in einem der Abschnitte I bis VI
des Ständerdrahtes 4 werden demnach zumindest zwei unterschiedliche Spannungsmuster
24 bzw. 25 durch die Prüfschaltung 11 den Wicklungen 5, 6 und 7 der Ständerwicklung 2
aufgeprägt. Damit läßt sich eine vollständige Überprüfung aller Ständerdrahtabschnitte I,
II, III, IV, V und VI erzielen, so daß vor Inbetriebnahme der elektrischen Drehfeldmaschi
ne 1 deren komplette Ständerwicklung 2 auf Bruchstellen 8 hin diagnostiziert werden kann.
Um das erste Spannungsmuster 24, gegeben durch die Feldbelegung 1-0-0, zu erhalten,
müssen gemäß der Darstellung in Fig. 1 in der Prüfschaltung 11 die Schalter S2, S3 sowie
S6 geschlossen und die verbleibenden Schalter offen bleiben.
Der Fig. 2 ist eine in Dreieckschaltung geschaltete Ständerwicklung einer elektrischen
Maschine zu entnehmen.
Aus der in Fig. 2 schematisch wiedergegebenen Dreieckschaltung 23 der Ständerwick
lung 2, die Wicklungen 5 (U), die Wicklung 6 (V) sowie die Wicklung 7 (W) ist zu ent
nehmen, daß die einzelnen Phasenströme 17, 18 bzw. 19 an den Anschlußpunkten 20, 21
bzw. 22 abgegriffen werden. Beidseits einer jeden Wicklung 5, 6 und 7 der Ständerwick
lung 2 sind die mit I, II, III, IV, V, VI bezeichneten Ständerdrahtabschnitte des Ständer
drahtes 4 dargestellt. Mittels der Stromsensoren 10 (vergleiche Darstellung gemäß Fig. 1)
können die gemäß der durch die Prüfschaltung 11 aufgeprägten Spannungsmuster 24 bzw.
25 bzw. 26 in den Phasensträngen 9 der Ständerwicklung 2 generierten Phasenströme
iR(17), iS (18), iT (19) sich ergebenden Ströme gemessen werden. Das erfindungsgemäß
vorgeschlagene Verfahren lässt sich sowohl bei elektrischen Maschinen in Stern - als auch -
bei solchen in Dreieckschaltung einsetzen.
Sind in den Phasensträngen 9 des R-S-T-Systems pro Phasenstrang jeweils ein Stromsen
sor 10 vorhanden, können die sich einstellenden Stromverhältnisse der Phasenströme 17,
18, 19 in bezug aufeinander ermittelt werden. Wird die Messung der sich in den Pha
sensträngen 9 des R-S-T-Systems einstellenden Phasenströme 17, 18, 19 hingegen mit einer
geringeren Anzahl von Stromsensoren 10 als Phasenstränge 9 vorhanden sind, ausge
führt, so ist eine Messung der Absolutwerte der sich einstellenden Phasenströme 17, 18, 19
zur Ermittlung einer Aussage über das Vorhandensein von Bruchstellen 8 im Ständerdraht
4 der Ständerwicklung 2 durchzuführen.
1
Elektrische Drehfeldmaschine
2
Ständerwicklung
3
Elektrische Verbindungsstelle
4
Ständerdraht
5
Erste Wicklung U
6
Zweite Wicklung V
7
Dritte Wicklung W
8
Bruchstelle
9
Phasenstränge R-S-T-System
10
Stromsensor
11
Prüfschaltung
S1 Schalter
S2 Schalter
S3 Schalter
S4 Schalter
S5 Schalter
S6 Schalter
S1 Schalter
S2 Schalter
S3 Schalter
S4 Schalter
S5 Schalter
S6 Schalter
12
Batterie
13
Batteriespannung
14
Wicklungsstrom i1
15
Wicklungsstrom i2
16
Wicklungsstrom i3
17
Phasenstrom iR
18
Phasenstrom iS
19
Phasenstrom iT
20
Erster Anschluß
21
Zweiter Anschluß
22
Dritter Anschluß
23
Dreieckschaltung
24
Erstes Spannungsmuster
25
Zweites Spannungsmuster
26
Drittes Spannungsmuster
Claims (10)
1. Verfahren zur Diagnose einer elektrischen Maschine (1), die eine Ständerwicklung (2)
enthält, die Wicklungen (5, 6, 7) umfaßt und die an einem Gleich- oder an einem
Pulswechselrichter betreibbar ist, wobei den einzelnen Phasenstränge (9) des R-S-T-
Systems der elektrischen Maschine Stromsensoren (10) zugeordnet sind, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kontaktfähigkeit elektrischer Verbindungen durch Aufprägen
definierter Spannungsmuster (24, 25, 26) auf die Wicklung (5, 6, 7) und durch eine
Messung der Phasenströme (17, 18, 19) ermittelt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überprüfung der
Kontaktfähigkeit elektrischer Verbindungen (3, 8) vor Inbetriebnahme der elektrischen
Maschine (1) erfolgt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmuster (24,
25, 26) durch eine Prüfschaltung (11) erzeugt werden, die mit einer Spannungsquelle
(12) verbunden ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmuster (24,
25, 26) durch Schließen oder Öffnen von Kontakten (S1 bis S6) der Prüfschaltung (11)
erzeugt werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfschaltung (11)
eine der Anzahl der Phasenstränge (9) im R-S-T-System entsprechende Anzahl von
Kontakten (S1 bis S6) umfaßt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer der Anzahl der
Phasenstränge (9) im R-S-T-System entsprechenden Anzahl von Stromsensoren (10)
die Verhältnisse der Phasenströme (17, 18, 19) zueinander ermittelt werden.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß mit einer die Anzahl der
Phasenstränge (9) im R-S-T-System unterschreitenden Anzahl von Stromsensoren (10)
die Absolutwerte der jeweiligen Phasenströme (17, 18, 19) ermittelt werden.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb der zu über
wachenden elektrischen Maschine (1), die an einem Pulswechselrichter betrieben wird,
eine einer unterbrochenen elektrischen Verbindung (3, 4, 8) zugeordnete Wicklung (5,
6, 7) der überwachten Wicklungen (5, 6, 7) nicht mehr angesteuert wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definierten Span
nungsmuster (24, 25, 26) als eine das R-S-T-System abbildende Feldanordnung gene
riert werden, in der jeweils Phasenstränge (9) des R-S-T-Systems durch ein Teilfeld
abgebildet sind.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur vollständigen Prüfung
der Wicklungen (5, 6, 7) der Ständerwicklung (2) mehrere durch die Prüfschaltung
(11) generierte Spannungsmuster (24, 25, 26) angelegt werden.
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DE10112569A DE10112569B4 (de) | 2001-03-15 | 2001-03-15 | Verfahren zur Diagnose von elektrischen Verbindungen an elektrischen Maschinen |
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