DE10112569A1

DE10112569A1 - Verfahren zur Diagnose von elektrischen Verbindungen an elektrischen Maschinen

Info

Publication number: DE10112569A1
Application number: DE10112569A
Authority: DE
Inventors: Klaus Scherrbacher; Axel Strommer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: DE10112569B4

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

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Darstellung der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Ausführungsvarianten

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 i_R(17), i_S (18), i_T (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.

Bezugszeichenliste

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

12

Batterie

13

Batteriespannung

14

Wicklungsstrom i₁

15

Wicklungsstrom i₂

16

Wicklungsstrom i₃

17

Phasenstrom i_R

18

Phasenstrom i_S

19

Phasenstrom i_T

20

Erster Anschluß

21

Zweiter Anschluß

22

Dritter Anschluß

23

Dreieckschaltung

24

Erstes Spannungsmuster

25

Zweites Spannungsmuster

26

Drittes Spannungsmuster

Claims

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.