DE102020120814A1 - Method for checking a fast de-excitation path of an excitation circuit and corresponding excitation circuit - Google Patents

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DE102020120814A1 DE102020120814.6A DE102020120814A DE102020120814A1 DE 102020120814 A1 DE102020120814 A1 DE 102020120814A1 DE 102020120814 A DE102020120814 A DE 102020120814A DE 102020120814 A1 DE102020120814 A1 DE 102020120814A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines Schnellentregungspfades einer Erregerschaltung (130) für eine fremderregte elektrische Maschine (100), bei welcher Erregerschaltung (130) ein erstes (141) und ein zweites Schaltelement (142) in Reihe zwischen einem positiven (V+) und einem negativen Spannungsanschluss (V-) geschaltet sind, bei der ein drittes Schaltelement (143) t parallel zu dem zweiten Schaltelement (142) geschaltet ist, wobei eine Erregerwicklung (131) der fremderregten elektrischen Maschine (100) an einem ersten Ende zwischen dem ersten (141) und zweiten Schaltelement (142) angeschlossen sowie an einem zweiten Ende mit dem dritten Schaltelement (143) verbunden ist, bei der ein elektrisches Bauelement (144) einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung (131) und andernends mit einem der Versorgungsanschlüsse (V+, V-) verbunden ist, wobei die Erregerwicklung (131) bei geschlossenem drittem Schaltelement (143) aufgeladen wird, wobei das dritte Schaltelement (143) anschließend geöffnet wird, und wobei bei geöffnetem drittem Schaltelement (143) eine für einen Stromfluss in einem die Erregerwicklung und das elektrische Bauelement (144) umfassenden Pfad charakteristische Größe (U) erfasst wird, und anhand dessen eine Funktion des elektrischen Bauelements (144) überprüft wird.The invention relates to a method for checking a rapid de-excitation path of an excitation circuit (130) for a separately excited electrical machine (100), in which excitation circuit (130) has a first (141) and a second switching element (142) in series between a positive (V+) and are connected to a negative voltage connection (V-), in which a third switching element (143) t is connected in parallel to the second switching element (142), an excitation winding (131) of the separately excited electrical machine (100) being connected at a first end between the first (141) and the second switching element (142) and is connected at a second end to the third switching element (143), in which an electrical component (144) is connected at one end to the second end of the field winding (131) and at the other end to one of the supply terminals ( V+, V-) is connected, the field winding (131) being charged when the third switching element (143) is closed, the third switching element t (143) is then opened, and when the third switching element (143) is open, a variable (U) characteristic of a current flow in a path comprising the field winding and the electrical component (144) is detected, and based on this a function of the electrical component (144) is checked.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines Schnellentregungspfades einer Erregerschaltung für eine fremderregte elektrische Maschine und eine entsprechende Erregerschaltung.The present invention relates to a method for checking a rapid de-excitation path of an excitation circuit for a separately excited electrical machine and a corresponding excitation circuit.

Stand der TechnikState of the art

In Kraftfahrzeugen wird typischerweise mittels einer elektrischen Maschine Drehstrom erzeugt. Beispielsweise können in diesem Zusammenhang Klauenpolgeneratoren zum Einsatz kommen. Neben einem generatorischen Betrieb kann auch ein motorischer Betrieb vorgesehen sein, beispielsweise bei einem sogenannten Startergenerator. Üblicherweise handelt es sich dabei um fremderregte Maschinen mit einer stromdurchflossenen Rotorwicklung.In motor vehicles, three-phase current is typically generated by means of an electric machine. For example, claw-pole generators can be used in this context. In addition to generator operation, motor operation can also be provided, for example in the case of a so-called starter generator. These are usually externally excited machines with a current-carrying rotor winding.

Eine Regelung der Spannung im Generatorbetrieb bzw. des Drehmoments im Motorbetrieb kann durch Vorgabe des Rotormagnetfelds durch Beeinflussung des Erregerstroms durch die Rotorwicklung erfolgen. Weil elektrischen Maschinen der erläuterten Art häufig eine hohe Induktivität im Erregerfeld und damit eine hohe Zeitkonstante in der Regelung besitzen, müssen Schutzstrategien eingesetzt werden, die bei Lastabwürfen oder Lastabschaltungen (nachfolgend wird für beide Fälle der Begriff Lastabwurf, engl. Load Dump, verwendet) negative Effekte verhindern. Bei einem Lastabwurf handelt es sich um ein Ereignis, bei dem sich bei hoch erregter elektrischer Maschine und einem entsprechend hohen abgegebenen Strom die Last an der elektrischen Maschine bzw. dem zugehörigen Gleichrichter schlagartig verringert und nicht durch kapazitiv wirkende Elemente im Bordnetz, beispielsweise durch eine Batterie, abgefangen werden kann.The voltage in generator operation or the torque in motor operation can be regulated by specifying the rotor magnetic field by influencing the excitation current through the rotor winding. Because electrical machines of the type explained often have a high inductance in the excitation field and thus a high time constant in the control, protection strategies must be used that are negative in the event of load shedding or load disconnections (the term load dump is used below for both cases). prevent effects. Load shedding is an event in which, with a highly excited electrical machine and a correspondingly high current output, the load on the electrical machine or the associated rectifier is suddenly reduced and not due to capacitively acting elements in the vehicle electrical system, such as a battery , can be intercepted.

Generell ist es bei erkannten Lastabwürfen aber gewünscht, die Überspannung möglichst schnell abzubauen, um mögliche Schäden oder Gefährdungen durch zu hohe Spannung zu vermeiden. Eine Möglichkeit hierzu ist, bei einer fremderregten elektrischen Maschine durch eine Schnellentregung der Läuferwicklung bzw. der Erregerwicklung die Leistungsabgabe zu reduzieren.In general, however, when load shedding is detected, it is desirable to reduce the overvoltage as quickly as possible in order to avoid possible damage or hazards due to excessive voltage. One possibility for this is to reduce the power output in an externally excited electrical machine by rapid de-excitation of the rotor winding or the field winding.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Überprüfen eines Schnellentregungspfades einer Erregerschaltung und eine Erregerschaltung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for checking a rapid de-excitation path of an excitation circuit and an excitation circuit with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.

Die Erfindung geht aus von einer Erregerschaltung, bei der ein erstes und ein zweites Schaltelement in Reihe zwischen einem positiven und einem negativen Spannungsanschluss (typischerweise einen Pluspol einer Fahrzeugbatterie und ein Minuspol der Fahrzeugbatterie bzw. Masse) geschaltet sind, und bei der ein drittes Schaltelement parallel zu dem zweiten Schaltelement geschaltet ist. Zudem ist ein elektrisches Bauelement vorgesehen, das mit einem der Versorgungsanschlüsse verbunden ist und über das bei einer Schnellentregung Strom fließt.The invention is based on an excitation circuit in which a first and a second switching element are connected in series between a positive and a negative voltage connection (typically a positive terminal of a vehicle battery and a negative terminal of the vehicle battery or ground), and in which a third switching element is connected in parallel is switched to the second switching element. In addition, an electrical component is provided, which is connected to one of the supply terminals and via which current flows in the event of rapid de-excitation.

Zudem ist zweckmäßigerweise zwischen dem dritten Schaltelement und dem negativen Spannungsanschluss ein elektrischer bzw. ohmscher Widerstand in Reihe geschaltet. Außerdem ist die Erregerwicklung der fremderregten elektrischen Maschine an einem ersten Ende zwischen dem ersten und zweiten Schaltelement anschließbar bzw. - im Betrieb bzw. im verbauten Zustand - angeschlossen und an einem zweiten (dem anderen) Ende mit dem dritten Schaltelement verbindbar bzw. - im Betrieb bzw. im verbauten Zustand - verbunden.In addition, an electrical or ohmic resistance is expediently connected in series between the third switching element and the negative voltage connection. In addition, the excitation winding of the externally excited electrical machine can be connected at a first end between the first and second switching element or—during operation or in the installed state—and can be connected at a second (the other) end to the third switching element or—during operation or in the installed state - connected.

Das elektrische Bauelement ist dann einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung und andernends, wie schon erwähnt, mit einem der Versorgungsanschlüsse verbunden. Hierbei können insbesondere zwei Varianten bzw. Alternativen unterschieden werden.The electrical component is then connected at one end to the second end of the field winding and at the other end, as already mentioned, to one of the supply connections. In particular, two variants or alternatives can be distinguished here.

In der ersten Alternative ist das elektrische Bauelement einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung und andernends mit dem positiven Versorgungsanschluss verbunden. Damit ist das elektrische Bauelement auch parallel zum ersten Schaltelement und in Reihe mit dem dritten Schaltelement zwischen den beiden Versorgungsanschlüssen geschaltet. Zudem ist das elektrische Bauelement dann auch derart ausgebildet, dass es zumindest bei Bedarf einen Stromfluss zumindest in eine Richtung zum positiven Spannungsanschluss ermöglicht.In the first alternative, the electrical component is connected at one end to the second end of the field winding and at the other end to the positive supply connection. The electrical component is therefore also connected in parallel with the first switching element and in series with the third switching element between the two supply terminals. In addition, the electrical component is then also designed in such a way that it enables a current flow at least in one direction to the positive voltage connection, at least when required.

In der zweiten Alternative ist das elektrische Bauelement einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung und andernends mit dem negativen Versorgungsanschluss verbunden. Damit ist das elektrische Bauteil also parallel zu dem dritten Schaltelement geschaltet.In the second alternative, the electrical component is connected at one end to the second end of the field winding and at the other end to the negative supply connection. The electrical component is thus connected in parallel with the third switching element.

Die Erregerschaltung bildet damit in der ersten Alternative eine sog. H-Brücke und wird auch als Erregerbrücke bezeichnet. Bei dem ersten, zweiten und dritten Schaltelement handelt es sich typischerweise um Halbleiterschaltelemente wie z.B. MOSFETs. Bei dem elektrischen Bauelement kann es sich ebenfalls um ein (dann viertes) Schaltelement, insbesondere ebenfalls ein Halbleiterschaltelement wie z.B. einen MOSFET handeln. Denkbar ist jedoch auch, eine Diode als das elektrische Bauelement zu verwenden, da dies - wie nachfolgend noch erläutert - beim Betrieb auch ausreichend ist. Für den üblichen Betrieb der elektrischen Maschine bzw. dem Bestromen der Erregerwicklung sind nämlich eine (aktive) Ansteuerung des ersten, zweiten und dritten Schaltelements ausreichend. Für eine nähere Erläuterung des Betriebs sei an dieser Stelle auch auf die Figurenbeschreibung verwiesen.In the first alternative, the exciter circuit thus forms a so-called H-bridge and is also referred to as an exciter bridge. The first, second and third switching elements are typically semiconductor switching elements such as MOSFETs. The electrical component can also be a (then fourth) switching element, in particular also a semiconductor switching element act like a MOSFET. However, it is also conceivable to use a diode as the electrical component since—as explained below—this is also sufficient during operation. For normal operation of the electrical machine or for energizing the field winding, (active) activation of the first, second and third switching elements is sufficient. For a more detailed explanation of the operation, reference is also made to the description of the figures at this point.

In diesem Sinne ist in der zweiten Alternative ein solches viertes Schaltelement nicht nötig, sondern eine Schnellentregung erfolgt über das parallel zum dritten Schaltelement vorgesehene elektrische Bauelement, das insbesondere als Last, z.B. als elektrischer Widerstand oder auch als Diode, ausgebildet sein kann.In this sense, such a fourth switching element is not necessary in the second alternative, but rapid de-excitation takes place via the electrical component provided parallel to the third switching element, which can be designed in particular as a load, e.g. as an electrical resistor or as a diode.

Für eine Entregung der Erregerwicklung gibt es zwei Möglichkeiten, nämlich eine normale und eine schnelle Entregung, wobei zumindest bei der schnellen Entregung Strom - in beiden Alternativen - über das elektrische Bauelement fließt - hier spielt also der Schnellentregungspfad, ein Bestandteil dessen das elektrische Bauelement ist, eine Rolle. Dadurch, dass das elektrische Bauelement im Normalbetrieb - also ohne Entregung bzw. Schnellentregung - jedoch nicht von Strom durchflossen ist und - sofern es sich um ein Schaltelement handelt - im Betrieb nicht angesteuert wird, ist die Funktion dieses elektrischen Bauelements über die gesamte Lebensdauer des Produktes, d.h. der Erregerschaltung, nicht bekannt.There are two options for de-excitation of the excitation winding, namely normal and rapid de-excitation, with current flowing - in both alternatives - via the electrical component at least in the case of rapid de-excitation - the rapid de-excitation path, a part of which the electrical component is, plays a role here. a role. Due to the fact that the electrical component does not have current flowing through it in normal operation - i.e. without de-excitation or rapid de-excitation - and - if it is a switching element - is not activated during operation, the function of this electrical component over the entire service life of the product , ie the excitation circuit, not known.

Hier setzt nun die Erfindung an und schlägt eine Möglichkeit vor, den Schnellentregungspfad und damit dieses elektrische Bauelement auf seine Funktionsfähigkeit bzw. Leitfähigkeit zu überprüfen. Hierzu wird die Erregerwicklung bei geschlossenem dritten Schaltelement aufgeladen. Dies bewirkt zumindest in der ersten Alternative der Erregerschaltung, dass, wenn danach das dritte Schaltelement geöffnet wird, zwischen dem elektrischen Bauelement und dem dritten Schaltelement eine höhere Spannung als die von dem positiven Spannungsanschluss bereitgestellte Spannung anliegt. Die Erregerwicklung wird also - im Gegensatz zu ihrer eigentlichen Funktion - als Stromquelle genutzt und erzeugt so bei geöffnetem drittem Schaltelement eine lokal höhere Spannung. Dadurch wird das elektrische Bauelement mit Strom durchflossen. In der zweiten Alternative der Erregerschaltung wird das elektrische Bauelement aber ebenfalls von Strom durchflossen.This is where the invention comes in and proposes a way of checking the rapid de-excitation path and thus this electrical component for its functionality or conductivity. For this purpose, the field winding is charged when the third switching element is closed. At least in the first alternative of the field circuit, this has the effect that when the third switching element is then opened, a higher voltage than the voltage provided by the positive voltage connection is present between the electrical component and the third switching element. In contrast to its actual function, the field winding is therefore used as a current source and thus generates a locally higher voltage when the third switching element is open. As a result, current flows through the electrical component. In the second alternative of the excitation circuit, however, current also flows through the electrical component.

Bei geöffnetem drittem Schaltelement wird dann eine für einen Stromfluss in einem die Erregerwicklung und das elektrische Bauelement umfassenden Pfad charakteristische Größe erfasst und anhand dessen (d.h. anhand der charakteristischen Größe) wird eine Funktion des elektrischen Bauelements überprüft. Insbesondere wird auf eine ordnungsgemäße Funktion des elektrischen Bauelements geschlossen bzw. es wird auf eine solche erkannt, wenn die charakteristische Größe innerhalb eines vorgegeben Bereichs liegt. Auf diese Weise wird eine kosteneffiziente Methode zur Überprüfung der Schnellentregung bzw. des Schnellentregungspfades bereitgestellt und es kann sichergestellt werden, dass die Schnellentregung im Falle eines Lastabwurfs auch genutzt werden kann.When the third switching element is open, a variable that is characteristic of a current flow in a path that includes the field winding and the electrical component is then detected and a function of the electrical component is checked on the basis of this (i.e., on the basis of the characteristic variable). In particular, proper functioning of the electrical component is inferred or such is recognized if the characteristic variable lies within a predetermined range. In this way, a cost-efficient method for checking the quick de-excitation or the quick de-excitation path is provided and it can be ensured that the quick de-excitation can also be used in the event of a load shedding.

Bei der charakteristischen Größe handelt es sich bevorzugt um einen Spannungsabfall über das elektrische Bauelement, der z.B. mittels entsprechender Spannungserfassungsmittel ermittelt werden kann. Alternativ kann auch der Spannungsabfall über die Erregerspule als diese charakteristische Größe erfasst werden, da bei Kenntnis der Versorgungsspannung daraus der Spannungsabfall über das elektrische Bauelement ermittelt werden kann. Neben dem Spannungsabfall kann aber auch der Stromfluss (direkt oder ggf. auch über eine geeignete Spannungsmessung) in dem Pfad ermittelt werden, da dieser bei ordnungsgemäß funktionierendem elektrischem Bauelement höher ist als bei einer normalen Entregung bzw. bei nicht ordnungsgemäß funktionierendem elektrischem Bauelement würde die Schnellentregung nicht funktionieren.The characteristic variable is preferably a voltage drop across the electrical component, which can be determined, for example, using appropriate voltage detection means. Alternatively, the voltage drop across the excitation coil can also be detected as this characteristic variable, since the voltage drop across the electrical component can be determined from this if the supply voltage is known. In addition to the voltage drop, the current flow (directly or possibly also via a suitable voltage measurement) in the path can also be determined, since this is higher with a properly functioning electrical component than with normal de-excitation or with an electrical component that is not working properly, the rapid de-excitation would occur not work.

Zweckmäßig ist es insofern auch, wenn diese Überprüfung regelmäßig oder immer zu bestimmten Zeitpunkten oder Ereignissen durchgeführt wird. Denkbar ist z.B. eine solche Überprüfung immer vor einem Betrieb der fremderregten elektrischen Maschine, z.B. immer beim Start eines Fahrzeugs mit einer solchen elektrischen Maschine.In this respect, it is also expedient if this check is carried out regularly or always at specific times or events. Such a check is conceivable, for example, always before operating the externally excited electrical machine, e.g. always when starting a vehicle with such an electrical machine.

Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich in erster Linie für fremderregte elektrische Maschinen (z.B. fremderregte Synchronmaschinen) zum Einsatz in Kraftfahrzeugen. Das Prinzip ist vor allem für z.B. riemengetriebene Startergeneratoren, insbesondere für höhere als übliche Bordnetzspannung, z.B. für 48 V, einsetzbar, da hier die Anforderungen an den Überspannungsschutz und Drehmomentschutz besonders streng sind. Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich allerdings auch für andere, höhere Spannungsklassen, z.B. für Energieerzeuger und -wandler in Bordnetztopologien aus 400 V- und 12 V-Bordnetzen.The proposed method is primarily suitable for separately excited electrical machines (e.g. separately excited synchronous machines) for use in motor vehicles. The principle can be used above all for e.g. However, the proposed method is also suitable for other, higher voltage classes, e.g. for energy generators and converters in on-board network topologies from 400 V and 12 V on-board networks.

Gegenstand der Erfindung ist neben dem Verfahren auch eine entsprechende Erregerschaltung, die die vorstehend schon erwähnten Komponenten aufweist, und die dazu eingerichtet ist bzw. sind, die angeschlossene Erregerwicklung aufzuladen, sodass z.B. zwischen dem elektrischen Bauelement und dem dritten Schaltelement gegenüber Masse eine höhere Spannung als die von dem positiven Spannungsanschluss bereitgestellte Spannung anliegt, wenn das dritte Schaltelement geöffnet wird, und die zudem Erfassungs- und Auswertemittel aufweist, die dazu eingerichtet sind, bei geöffnetem drittem Schaltelement eine für einen Stromfluss in einem die Erregerwicklung und das elektrische Bauelement umfassenden Pfad charakteristische Größe wie z.B. einen Spannungsabfall über das elektrische Bauelement zu erfassen, und anhand dessen eine Funktion des elektrischen Bauelements zu überprüfen.In addition to the method, the subject matter of the invention is also a corresponding excitation circuit which has the components already mentioned above and which is or are set up to charge the connected excitation winding, so that, for example, between the electrical component and the third switching element compared to ground, a higher voltage than those of the positi VEN voltage connection provided voltage is applied when the third switching element is opened, and also has detection and evaluation means which are set up to when the third switching element is open for a current flow in a path comprising the field winding and the electrical component characteristic variable such as a To detect voltage drop across the electrical component, and based on this to check a function of the electrical component.

Für weitere Erläuterungen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erregerschaltung sei auf die vorstehenden Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten.For further explanations and preferred configurations of the field circuit, reference is made to the above statements on the method, which apply accordingly here.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing.

Figurenlistecharacter list

  • 1 zeigt schematisch eine Anordnung mit fremderregter elektrischer Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. 1 shows schematically an arrangement with a separately excited electrical machine in which a method according to the invention can be carried out.
  • 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Erregerschaltung in einer bevorzugten Ausführungsform. 2 shows schematically an excitation circuit according to the invention in a preferred embodiment.
  • 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Erregerschaltung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. 3 shows schematically an excitation circuit according to the invention in a further preferred embodiment.
  • 4 zeigt schematisch einen Ansteuerablauf einer Erregerschaltung bei normalem Betrieb und bei einer Schnellentregung. 4 shows a schematic of a control sequence of an exciter circuit during normal operation and during rapid de-excitation.
  • 5 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform 5 shows schematically a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment

Ausführungsform(en) der Erfindungembodiment(s) of the invention

In 1 ist schematisch eine Anordnung mit fremderregter elektrischer Maschine 100 dargestellt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Hierzu ist ein Inverter bzw. ein Stromrichter 110 vorgesehen, der an einen positiven und einen negativen Spannungsanschluss, z.B. über ein Bordnetz eines Fahrzeugs an eine entsprechende Batterie, angeschlossen ist. Parallel hierzu ist ein Zwischenkreiskondensator 115 vorgesehen. Über den Inverter bzw. Stromrichter 110, der hier nicht näher erläutert wird und für die Erfindung auch nicht weiter relevant ist, kann eine Ständerwicklung 120 der elektrischen Maschine 100 angesteuert werden.In 1 an arrangement with a separately excited electrical machine 100 is shown schematically, in which a method according to the invention can be carried out. For this purpose, an inverter or a power converter 110 is provided, which is connected to a positive and a negative voltage connection, for example to a corresponding battery via an on-board network of a vehicle. An intermediate circuit capacitor 115 is provided in parallel with this. A stator winding 120 of the electrical machine 100 can be controlled via the inverter or converter 110, which is not explained in any more detail here and is also not relevant to the invention.

Außerdem ist eine Erregerschaltung 130 vorgesehen, an welche eine Erregerwicklung 131 der elektrischen Maschine 100 angeschlossen ist, und die ebenfalls an einen positiven und einen negativen Spannungsanschluss, z.B. ebenfalls über das Bordnetz an die Batterie, angeschlossen ist.In addition, an exciter circuit 130 is provided, to which an exciter winding 131 of the electrical machine 100 is connected, and which is also connected to a positive and a negative voltage connection, e.g. also connected to the battery via the vehicle electrical system.

In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Erregerschaltung 130 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei der es sich insbesondere um die in 1 nur grob schematisch angedeutete Erregerschaltung handeln kann.In 2 is a schematic representation of an excitation circuit 130 according to the invention in a preferred embodiment, which is in particular the 1 can act only roughly schematically indicated excitation circuit.

Die Erregerschaltung 130 weist ein erstes Schaltelement 141, ein zweites Schaltelement 142, ein drittes Schaltelement 143 sowie ein viertes Schaltelement 144 auf, die in Form einer H-Brücke verschaltet sind. Mit anderen Worten sind das erste und das zweite Schaltelement 141, 142 in Reihe zwischen dem positiven Spannungsanschluss V+ und dem negativen Spannungsanschluss V- geschaltet. Das vierte und dritte Schaltelement 144, 143 sowie ein elektrischer Widerstand 150 sind in Reihe zwischen dem positiven Spannungsanschluss V+ und dem negativen Spannungsanschluss V- geschaltet. Zudem ist die Erregerwicklung 131 zwischen dem ersten und zweiten Schaltelement141, 142 sowie zwischen dem dritten 143 und vierten Schaltelement 144 angeschlossen.The excitation circuit 130 has a first switching element 141, a second switching element 142, a third switching element 143 and a fourth switching element 144, which are connected in the form of an H-bridge. In other words, the first and second switching elements 141, 142 are connected in series between the positive voltage terminal V+ and the negative voltage terminal V-. The fourth and third switching elements 144, 143 and an electrical resistor 150 are connected in series between the positive voltage connection V+ and the negative voltage connection V−. In addition, the field winding 131 is connected between the first and second switching element 141 , 142 and between the third 143 and fourth switching element 144 .

Bei den vier Schaltelementen 141, 142, 143 und 144 handelt es sich beispielhaft um MOSFETs, wobei das vierte Schaltelement 144 das elektrische Bauelement im Sinne der Erfindung bildet und z.B. auch als Diode ausgebildet sein könnte, wie vorstehend schon erwähnt.The four switching elements 141, 142, 143 and 144 are MOSFETs, for example, with the fourth switching element 144 forming the electrical component within the meaning of the invention and could also be designed as a diode, for example, as already mentioned above.

Weiterhin sind Ansteuermittel 160 vorgesehen, die die Schaltelemente 141, 142, 143 und ggf. 144 ansteuern können, d.h. leitend und nicht-leitend schalten können (wie erwähnt, muss das Schaltelement 144 nicht notwendigerweise angesteuert werden, jedoch kann dies vorgesehen sein). Außerdem kann mittels der Ansteuermittel 160 eine Ansteuerung der Schaltelemente derart vorgenommen werden, dass die Erregerwicklung 131 aufgeladen wird, sodass zwischen dem dritten und vierten Schaltelement 143, 144 gegen Masse eine höhere Spannung als die von dem positiven Spannungsanschluss V+ bereitgestellte Spannung anliegt, wenn das dritte Schaltelement 143 geöffnet ist bzw. wird, was - bei geöffnetem drittem Schaltelement 143 - zu einem Stromfluss durch das vierte Schaltelement 144 und damit auch durch die bzw. in der Erregerwicklung 131. führt. Dass die Spannung entsteht, ist damit zu begründen, dass die Induktivität der Spule die Spannung erzeugt. Dabei gilt: U=L*di/dt. Durch die Entregung der Spule ergibt sich eine Stromänderung (di/dt) und es entsteht eine Spannung über der Spule, die exakt der Zwischenkreisspannung ergänzt um die Diodenspannung des vierten Schaltelementes entspricht.In addition, control means 160 are provided, which can control the switching elements 141, 142, 143 and possibly 144, ie can switch them on and off (as mentioned, the switching element 144 does not necessarily have to be controlled, but this can be provided). In addition, the switching elements can be activated by means of the activation means 160 in such a way that the field winding 131 is charged, so that a higher voltage than the voltage provided by the positive voltage terminal V+ is present between the third and fourth switching elements 143, 144 to ground when the third Switching element 143 is open or is, which - when the third switching element 143 is open - leads to a current flow through the fourth switching element 144 and thus also through or in the field winding 131st. The reason why the voltage is generated is that the inductance of the coil generates the voltage. The following applies: U=L*di/dt. Through the entrance When the coil is moved, there is a change in current (di/dt) and a voltage is generated across the coil that corresponds exactly to the intermediate circuit voltage supplemented by the diode voltage of the fourth switching element.

Weiterhin sind Erfassungs- und Auswertemittel 161 vorgesehen, mittels welcher ein Spannungsabfall über dem vierten Schaltelement 144 erfasst bzw. gemessen werden kann. Ebenso kann damit z.B. anhand des Spannungsabfalls eine Funktion des vierten Schaltelements überprüft werden. Es versteht sich, dass die Überprüfung auch in einer separaten Einheit - die dann zu den Erfassungs- und Auswertemitteln gehört - erfolgen kann.Furthermore, detection and evaluation means 161 are provided, by means of which a voltage drop across the fourth switching element 144 can be detected or measured. A function of the fourth switching element can also be checked using the voltage drop, for example. It goes without saying that the check can also be carried out in a separate unit, which then belongs to the detection and evaluation means.

In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Erregerschaltung 130' in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt, die ebenfalls als die in 1 nur grob schematisch angedeutete Erregerschaltung verwendet werden kann. Die Erregerschaltung 130' ist sehr ähnlich der Erregerschaltung 130 gemäß 2, sodass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.In 3 an exciter circuit 130' according to the invention is shown schematically in a further preferred embodiment, which is also shown as the one in 1 only roughly schematically indicated excitation circuit can be used. The exciter circuit 130' is very similar to the exciter circuit 130 of FIG 2 , so that only the differences will be discussed below. Identical components are denoted by the same reference symbols.

Im Vergleich zu der Erregerschaltung 130 aus 2 gibt es bei der Erregerschaltung 130' kein viertes Schaltelement 144. Vielmehr ist stattdessen das als elektrischer Widerstand bzw. Last ausgebildete elektrische Bauteil 144' parallel zu dem dritten Schaltelement 143 geschaltet und auf diese Weise mit dem negativen Spannungsanschluss V- verbunden.Compared to the excitation circuit 130 off 2 there is no fourth switching element 144 in the excitation circuit 130'. Instead, the electrical component 144' designed as an electrical resistance or load is connected in parallel with the third switching element 143 and is connected in this way to the negative voltage connection V-.

Hier kann mittels der Ansteuermittel 160 eine Ansteuerung der Schaltelemente derart vorgenommen werden, dass die Erregerwicklung 131 aufgeladen wird, und dass, wenn das dritte Schaltelement 143 geöffnet bzw. nicht-leitend geschaltet wird, ein Strom von der Erregerwicklung 131 über den Widerstand 144' fließt.Here, the switching elements can be activated by means of the activation means 160 in such a way that the field winding 131 is charged and that when the third switching element 143 is opened or switched non-conductive, a current flows from the field winding 131 via the resistor 144' .

Weiterhin sind Erfassungs- und Auswertemittel 161' vorgesehen, mittels welcher ein Spannungsabfall über der Erregerwicklung 131 erfasst bzw. gemessen werden kann. Auf diese Weise kann eine Funktion des Widerstands 144' überprüft werden, da bei einer Fehlfunktion die Erregerwicklung 131 nicht oder nicht in gleichem Maße entladen würde, was zu einem veränderten Spannungsabfall führen würde.Furthermore, detection and evaluation means 161' are provided, by means of which a voltage drop across the field winding 131 can be detected or measured. In this way, a function of the resistor 144' can be checked since, in the event of a malfunction, the field winding 131 would not be discharged or would not be discharged to the same extent, which would lead to a changed voltage drop.

In 4 ist schematisch ein Ansteuerablauf einer Erregerschaltung wie derjenigen gemäß 2 oder auch 3 bei normalem Betrieb und bei einer Schnellentregung dargestellt. Hierzu sind Schalterstellungen der Schaltelemente 141, 142 und 143 über der Zeit t aufgetragen, wobei 0 für Aus bzw. nicht-leitend und 1 für Ein bzw. leitend steht.In 4 FIG. 12 is a schematic of a control sequence of an excitation circuit like that according to FIG 2 or 3 shown during normal operation and during rapid de-excitation. For this purpose, the switch positions of the switching elements 141, 142 and 143 are plotted over time t, with 0 standing for off or non-conducting and 1 for on or conducting.

Im normalen Betrieb (in der 4 links gezeigt) werden lediglich die Schaltelemente 141, 142 und 143 genutzt. Beispielsweise über eine PWM-Ansteuerung der Schaltelemente 141 und 142 bei dauerhaft eingeschaltetem Schaltelement 143 wird der gewünschte Erregerstrom eingestellt. Um den Erregerstrom abzubauen gibt es zwei Möglichkeiten: die normale Entregung (in der 4 links gezeigt, wenn das Schaltelement 141 geöffnet ist) und die schnelle Entregung (in der 4 rechts gezeigt).In normal operation (in the 4 shown on the left) only the switching elements 141, 142 and 143 are used. The desired excitation current is set, for example, via a PWM control of the switching elements 141 and 142 with the switching element 143 permanently switched on. There are two ways to reduce the excitation current: normal de-excitation (in the 4 shown on the left when the switching element 141 is open) and the rapid de-excitation (in the 4 shown at right).

Bei der normalen Entregung ist das Schaltelement 143 geschlossen. Das Schaltelemente 141 und - im Falle der Erregerschaltung gemäß 2 - 144 sind geöffnet und die Stellung des Schaltelements 142 ist aufgrund der dann in jedem Fall leitenden internen Body-Diode (wenn das Schaltelement 142 z.B. ein MOSFET ist) irrelevant. In diesem Fall wird der Erregerstrom nur durch die Eigenwiderstände sämtlicher stromdurchflossener Komponenten wie insbesondere der Spule 131 (der elektrische Widerstand 150 kann hierbei nahezu vernachlässigt werden) entregt.With normal de-excitation, the switching element 143 is closed. The switching elements 141 and - in the case of the exciter circuit according to 2 - 144 are open and the position of the switching element 142 is irrelevant because the internal body diode is then always conducting (if the switching element 142 is a MOSFET, for example). In this case, the excitation current is de-excited only by the inherent resistances of all current-carrying components such as in particular the coil 131 (the electrical resistance 150 can be almost neglected here).

Bei der schnellen Entregung sind die Schaltelemente 141 und 143 geöffnet. Die Schalterstellungen der Schaltelemente 142 und 144 sind aufgrund der internen Body-Diode (wenn diese Schaltelemente MOSFETs sind) irrelevant. Dadurch wird die Erregerwicklung gegen die positive Versorgungsspannung oder gegen die Spannung, die aufgrund des elektrischen Bauteils entsteht, entregt, was zeitlich deutlich schneller ist.The switching elements 141 and 143 are open during rapid de-excitation. The switch positions of switching elements 142 and 144 are irrelevant due to the internal body diode (if these switching elements are MOSFETs). As a result, the field winding is de-excited against the positive supply voltage or against the voltage that arises due to the electrical component, which is significantly faster in terms of time.

Auch wenn die Schalterstellung des Schaltelements 144 irrelevant ist, so muss im Falle der Schnellentregung - im Falle der Erregerschaltung gemäß 2 - darüber dennoch ein Strom fließen können. Auch im Falle der Erregerschaltung gemäß 3 muss über den Widerstand 144' ein Strom fließen können.Even if the switch position of the switching element 144 is irrelevant, in the case of rapid de-excitation—in the case of the excitation circuit according to FIG 2 - a current can still flow over it. Also in the case of the excitation circuit according to 3 current must be able to flow through the resistor 144'.

In 5 ist nun ein Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei dem - z.B. immer vor einem regulären bzw. normalen Betrieb der elektrischen Maschine - eine Funktion des elektrischen Bauelements im Schnellentregungspfad überprüft wird.In 5 a sequence of a method according to the invention is now shown in a preferred embodiment, in which--for example always before regular or normal operation of the electrical machine--a function of the electrical component is checked in the rapid de-excitation path.

In einem Schritt 410 wird die Erregerwicklung aufgeladen. Damit liegt - im Falle der Erregerschaltung gemäß 2 - zwischen dem dritten und vierten Schaltelement gegen Masse eine höhere Spannung an, als die von dem positiven Spannungsanschluss bereitgestellte Spannung (also die Versorgungsspannung), wenn das dritte Schaltelement geöffnet wird.In a step 410 the field winding is charged. This is - in accordance with the case of the excitation circuit 2 - A higher voltage to ground between the third and fourth switching element than the voltage provided by the positive voltage terminal (ie the supply voltage) when the third switching element is opened.

In einem Schritt 420 wird dann bei geöffnetem drittem Schaltelement ein Spannungsabfall U über das elektrische Bauelement bzw. das vierte Schaltelement oder die Erregerwicklung erfasst. In einem Schritt 430 wird dann geprüft, ob dieser Spannungsabfall bzw. dieser Spannungswert U innerhalb eines vorgegebenen Bereichs BU liegt. Falls dem so ist, wird auf eine ordnungsgemäße Funktion des elektrischen Bauelements bzw. des vierten Schaltelements geschlossen. Der Bereich BU kann beispielsweise anhand von Testmessungen ermittelt und auf geeignete Weise hinterlegt werden.In a step 420, when the third switching element is open, a voltage drop U across the electrical component or the fourth switching element or the field winding is detected. In a step 430 it is then checked whether this voltage drop or this voltage value U lies within a predetermined range B U . If this is the case, it is concluded that the electrical component or the fourth switching element is functioning properly. The range B U can be determined, for example, using test measurements and stored in a suitable manner.

Durch dieses Vorgehen kann besonders kosteneffizient und schnell geprüft werden, ob der Schnellentregungspfad ordnungsgemäß funktioniert, sodass z.B. im Fall eines Lastabwurfs eine Schnellentregung (sicher) vorgenommen werden kann.This procedure makes it possible to check particularly cost-effectively and quickly whether the quick de-excitation path is working properly, so that, for example, in the event of a load shedding, quick de-excitation can be carried out (safely).

Claims (15)

Verfahren zum Überprüfen eines Schnellentregungspfades einer Erregerschaltung (130, 130') für eine fremderregte elektrische Maschine (100), bei welcher Erregerschaltung (130) ein erstes (141) und ein zweites Schaltelement (142) in Reihe zwischen einem positiven (V+) und einem negativen Spannungsanschluss (V-) geschaltet sind, bei der ein drittes Schaltelement (143) parallel zu dem zweiten Schaltelement (142) geschaltet ist, wobei eine Erregerwicklung (131) der fremderregten elektrischen Maschine (100) an einem ersten Ende zwischen dem ersten (141) und zweiten Schaltelement (142) angeschlossen sowie an einem zweiten Ende mit dem dritten Schaltelement (143) verbunden ist, bei der ein elektrisches Bauelement (144, 144') einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung (131) und andernends mit einem der Versorgungsanschlüsse (V+, V-) verbunden ist, wobei die Erregerwicklung (131) bei geschlossenem drittem Schaltelement (143) aufgeladen wird, wobei das dritte Schaltelement (143) anschließend geöffnet wird, und wobei bei geöffnetem drittem Schaltelement (143) eine für einen Stromfluss in einem die Erregerwicklung und das elektrische Bauelement (144, 144') umfassenden Pfad charakteristische Größe (U) erfasst wird, und anhand dessen eine Funktion des elektrischen Bauelements (144) überprüft wird.Method for checking a rapid de-excitation path of an excitation circuit (130, 130') for an externally excited electrical machine (100), in which excitation circuit (130) a first (141) and a second switching element (142) are connected in series between a positive (V+) and a negative voltage terminal (V-), in which a third switching element (143) is connected in parallel to the second switching element (142), an exciter winding (131) of the separately excited electrical machine (100) being connected at a first end between the first (141) and second switching element (142) and is connected at a second end to the third switching element (143), in which an electrical component (144, 144') is connected at one end to the second end of the field winding (131) and at the other end to one of the supply connections (V+, V-), wherein the field winding (131) is charged when the third switching element (143) is closed, the third switching element (143) then being opened, and wherein when the third switching element (143) is open, a variable (U) characteristic of a current flow in a path comprising the excitation winding and the electrical component (144, 144') is detected, and on the basis of which a function of the electrical component (144) is checked. Verfahren nach Anspruch 1, wobei auf eine ordnungsgemäße Funktion des elektrischen Bauelements (144, 144') geschlossen wird, wenn die charakteristische Größe I (U) innerhalb eines vorgegeben Bereichs (Bu) liegt.procedure after claim 1 , it being concluded that the electrical component (144, 144') is functioning properly if the characteristic variable I(U) lies within a predetermined range (Bu). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die charakteristische Größe einen Spannungsabfall (U) über das elektrische Bauelement (144, 144') oder über die Erregerspule (131) umfasst.procedure after claim 1 or 2 , wherein the characteristic variable comprises a voltage drop (U) across the electrical component (144, 144') or across the exciter coil (131). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die charakteristische Größe einen Stromfluss in dem die Erregerspule (131) und das elektrische Bauelement (144) umfassenden Pfad umfasst.procedure after claim 1 or 2 , wherein the characteristic variable comprises a current flow in the path comprising the excitation coil (131) and the electrical component (144). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das elektrische Bauelement (144) einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung (131) und andernends mit dem positiven Versorgungsanschluss (V+) verbunden ist.Method according to one of the preceding claims, in which the electrical component (144) is connected at one end to the second end of the excitation winding (131) and at the other end to the positive supply terminal (V+). Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei der Erregerschaltung als das elektrische Bauelement (144) ein viertes Schaltelement verwendet wird.procedure after claim 5 , wherein a fourth switching element is used in the field circuit as the electrical component (144). Verfahren nach Anspruch 6, wobei als das vierte Schaltelement (144) ein Schaltelement mit einer Diode, insbesondere einer internen Diode, verwendet wird, insbesondere ein Halbleiterschaltelement.procedure after claim 6 , wherein a switching element with a diode, in particular an internal diode, is used as the fourth switching element (144), in particular a semiconductor switching element. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das elektrische Bauelement (144') einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung (131) und andernends mit dem negativen Versorgungsanschluss (V-) verbunden ist.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , wherein the electrical component (144') is connected at one end to the second end of the excitation winding (131) and at the other end to the negative supply terminal (V-). Verfahren nach Anspruch 8, wobei bei der Erregerschaltung als das elektrische Bauelement (144') eine elektrische Last verwendet wird.procedure after claim 8 wherein the excitation circuit uses an electric load as the electric component (144'). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder nach Anspruch 8, wobei bei der Erregerschaltung als das elektrische Bauelement eine Diode verwendet wird.Procedure according to one of Claims 1 until 5 or after claim 8 , wherein a diode is used as the electrical component in the excitation circuit. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der Erregerschaltung (130, 130') als erstes und/oder zweites und/oder drittes Schaltelement jeweils ein Halbleiterschaltelement verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, in which a semiconductor switching element is used as the first and/or second and/or third switching element in the field circuit (130, 130'). Erregerschaltung (130, 130') für eine fremderregte elektrische Maschine (100), bei der ein erstes (141) und ein zweites Schaltelement (142) in Reihe zwischen einem positiven (V+) und einem negativen Spannungsanschluss (V-) geschaltet sind, bei der ein drittes Schaltelement (143) parallel zu dem zweiten Schaltelement (142) geschaltet ist, wobei eine Erregerwicklung (131) der fremderregten elektrischen Maschine (100) an einem ersten Ende zwischen dem ersten (141) und zweiten Schaltelement (142) anschließbar sowie an einem zweiten Ende mit dem dritten Schaltelement (143) verbindbar ist, und bei der ein elektrisches Bauelement (144, 144') einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung (131) und andernends mit einem der Versorgungsanschlüsse (V+, V-) verbindbar ist, mit Ansteuermitteln (160), die dazu eingerichtet sind, die angeschlossene Erregerwicklung (131) bei geschlossenem drittem Schaltelement (143) aufzuladen, und mit Erfassungs- und Auswertemitteln (161), die dazu eingerichtet sind, bei geöffnetem drittem Schaltelement (143) eine für einen Stromfluss in einem die Erregerwicklung und das elektrische Bauelement (144, 144') umfassenden Pfad charakteristische Größe (U) zu erfassen, und anhand dessen eine Funktion des elektrischen Bauelements (144) zu überprüfen.Excitation circuit (130, 130') for a separately excited electrical machine (100), in which a first (141) and a second switching element (142) are connected in series between a positive (V+) and a negative voltage connection (V-). which a third switching element (143) is connected in parallel to the second switching element (142), wherein an excitation winding (131) of the separately excited electrical machine (100) can be connected at a first end between the first (141) and second switching element (142) and on a second end to the third switching element (143) is connectable, and in which an electrical component (144, 144 ') at one end to the second end of the field winding (131) and at the other end with a of the supply connections (V+, V-), with control means (160) which are set up to charge the connected field winding (131) when the third switching element (143) is closed, and with detection and evaluation means (161) set up for this are, when the third switching element (143) is open, to detect a variable (U) characteristic of a current flow in a path comprising the excitation winding and the electrical component (144, 144') and to use this to check a function of the electrical component (144). . Erregerschaltung (130, 130') nach Anspruch 12, wobei die Erfassungs- und Auswertemittel (161) dazu eingerichtet sind, auf eine ordnungsgemäße Funktion des elektrischen Bauelements (144, 144') zu schließen, wenn die charakteristische Größe (U) innerhalb eines vorgegeben Bereichs (Bu) liegt.Excitation circuit (130, 130') according to claim 12 , wherein the detection and evaluation means (161) are set up to conclude that the electrical component (144, 144') is functioning properly if the characteristic variable (U) lies within a predetermined range (Bu). Erregerschaltung (130) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das elektrische Bauelement (144) einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung (131) und andernends mit dem positiven Versorgungsanschluss (V+) verbindbar ist.Excitation circuit (130) after claim 12 or 13 , wherein the electrical component (144) can be connected at one end to the second end of the excitation winding (131) and at the other end to the positive supply connection (V+). Erregerschaltung (130') nach Anspruch 12 oder 13, wobei das elektrische Bauelement (144') einenends mit dem zweiten Ende der Erregerwicklung (131) und andernends mit dem negativen Versorgungsanschluss (V-) verbindbar ist.Excitation circuit (130') according to claim 12 or 13 , wherein the electrical component (144') can be connected at one end to the second end of the field winding (131) and at the other end to the negative supply connection (V-).
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