本发明涉及一种用于识别发电机单元中的故障的方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序，其具有独立权利要求的特征。优选的实施方案是从属权利要求和下文中的说明书中的内容。
背景技术：
机动车辆具有车载电网，该车载电网通过作为发电机运行的电机例如另外励磁的同步电机而被供给电压。为了调节车载电网电压，能够控制电机的励磁电流。电机通常通过整流器连接到车载电网，并与发电机单元一起形成。在这样的发电机单元中会出现诸如短路的故障，应尽可能地被识别。
从非提前公开的de102015211933已知一种用于识别在发电机单元中的故障的方法，所述发电机单元包括具有转子绕组和定子绕组的电机和连接到所述电机上的整流器，所述电机通过所述整流器连接到机动车的车载电网，其中通过流经电机的转子绕组的励磁电流将车载电网的电压调节到额定值并且监测励磁电流的变化曲线，并且其中如果识别到励磁电流的振荡的变化曲线，则推断在所述发电机单元中的故障，其中所述振荡的范围超出阈值。
技术实现要素：
根据本发明，提出了一种用于识别发电机单元中的故障的方法以及用于执行该方法的计算单元和计算机程序，其具有独立权利要求的特征。优选的实施方案是从属权利要求和下文中的说明书中的内容。
本发明的优点
在第一方面，本发明涉及一种用于识别在发电机单元中的故障的方法，所述发电机单元包括具有转子绕组和变压器式地耦合到所述子绕组的定子绕组的电机和连接到所述电机上的整流器，所述电机通过所述整流器连接到机动车的车载电网，其中取决于流过所述电机的所述转子绕组的励磁电流的变化曲线和在所述变压器侧下降的电压的变化曲线之间的相关的值来推断是否存在所述故障。
以这种方式，可以容易地检测整流器和/或电机中的各种类型的故障。已经认识到，转子绕组和定子绕组是变压器耦合的，由此定子侧电压波动被回传到转子绕组。
已经认识到，在正常情况下，即在整流器中没有故障的情况下，励磁电流的变化曲线与转子绕组之上的电压降的变化曲线之间存在很强的相关性。然而，励磁电流的变化曲线和相电压的变化曲线之间的相关性通常不那么强。
在发生故障时，励磁电流的变化曲线与转子绕组之上的电压降的变化曲线之间的相关性下降，而励磁电流的变化曲线和相电压的变化曲线之间的相关性增大。
现在根据这些相关中的一个或两个可以很容易地推断出是否存在故障。当检查相应相关的值是否小于(或大于)可预定的阈值，则可以特别容易地识别到故障。
可选地，取决于励磁电流的波动范围，尤其是在可预定的时间间隔内励磁电流的最大值与激励电流的最小值之间的差，可以推断出是否存在故障。特别是可以设置，只有在波动范围超出可预定的阈值时才能推断出故障。
当各个相关性的量突然改变时，例如可预定的时间间隔内下降了(或增加了)最小值时推断出故障时，该方法变得特别灵活。
应该注意的是，当与时钟控制励磁电流的开关串联的励磁电流或直接在开关中的励磁电流被确定时，励磁电流仅在开关闭合时确定，因为在断开状态下没有电流流过开关，
相反，如果与和转子绕组并联的续流二极管串联的励磁电流或直接在续流二极管中的励磁电流被确定，则励磁电流只有在励磁电流的开关断开时才能确定，因为否则励磁电流将通过开关而不是流经续流二极管。
如果用这些测量方法之一来确定励磁电流，则意味着只能在电流流过电流测定的开关的位置确定励磁电流。
如果在开关中的或与开关串联的励磁电流被确定，则只能在开关闭合状态下确定励磁电流。如果在续流二极管中的或与续流二极管串联的励磁电流被确定，则只能在开关的断开状态下确定励磁电流。
在这些情况下，相关性的确定因此有利地限制在一时间间隔，在该时间间隔中可以确定励磁电流。
在其他方面中可以设置，如果怀疑存在故障，则利用提高了的时钟控制所述励磁电流的所述开关的时钟频率来执行该方法。例如，如果首先先以所描述的方法之一以及正常的时钟控制所述励磁电流的所述开关的时钟频率确定故障的存在，则可能存在这种怀疑。已经认识到，在确定相关性的情况下，励磁电流或电压变化曲线中最重要的特征是上升沿和下降沿。这些边沿使估计相关性变得容易。增加时钟频率可以提高采样率，使程序更加准确。
在以更高的时钟频率执行该方法之后，可以将时钟频率降低到正常值，即增加之前的值。
在另一方面提供了一种用于安全操作发电机单元的方法。在该方法中，在所述发电机单元中存在故障时，执行所述励磁电流的值或所述励磁电流的脉动的减小。脉冲意味着与转子绕组串联连接的开关的时钟频率降低。时钟频率应在这种情况下被有利地减小，直到周期持续时间刚好还小于定子绕组的金属丝的热稳定时间，尤其是时钟频率到小于1/秒，例如，0.1/秒。
根据本发明的计算单元，特别是发电机调节器，例如，机动车辆的控制装置，尤其在程序方面被配置为执行根据本发明的方法。
此外，以计算机程序的形式实现该方法是有利的，因为这导致非常低的成本，尤其是如果执行的控制器仍用于其他任务并因此已经存在的话。
本发明的其他优点和实施例将通过说明书和附图变得显而易见。
依据附图中的实施例，本发明将被示意性地说明，并且将在下面参照附图对本发明进行描述。
附图说明
图1示意性地示出了具有电机、整流器和发电机控制器的发电机单元，其中可以执行根据本发明的方法。
图2至5示出了具有在整流器中的各种故障的图1的发电机单元。
图6至图9示出图2至图5中所示的故障的电压和电流变化的曲线图。
图10示出了发电机单元的励磁电流回路的构造侧示意图。
图11示意性地示出了正常操作中发电机单元中的电气变量的变化曲线。
图12示意性地示出了在发生故障的情况下发电机单元中的电气变量的变化曲线。
图13示意性地示出了出现故障时的相关性的时间上的变化曲线。
具体实施方式
图1示意性地示出了发电机单元，其包括具有整流器130和设计为发电机控制器的计算单元140的电机100，其中可以执行根据本发明的方法。电机100具有转子绕组或励磁绕组110和定子绕组120，并且在此作为向机动车的车载电网150供电的发电机。
电机100以及其定子绕组120在此形成有五相u，v，w，x和z。五个相中的每一相经由整流器130的相关联的二极管131连接到车载电网150的正极侧或高压侧b+以及经由相关联的二极管132到车载电网150的负极侧或低压侧b-。可以理解的是，这里仅选择五个相的数量作为示例，并且根据本发明的方法也可以以不同数量的相(例如3,6,7或更多)来执行。也可以使用合适的半导体开关来代替二极管。
发电机控制器140向转子绕组110提供励磁电流ie。为此，可以在发电机控制器140中设置开关，该开关与转子绕组110串联连接，并且例如通过时钟控制的驱控来调节励磁电流ie。此外，发电机控制器140具有输入用于利用b+和b-以及相电压(在这种情况下是相y，电压uy)来检测车载电网电压的输入端。从电机100放电的电流由ig表示。
图2至5分别示出了具有整流器130中的特定的故障的图1的布置。
图2示例性的示出了在高侧路径中的短路(在此处是相u)。这例如可以在相关联的二极管131短路的情况下发生。
图3示例性的示出了在低侧路径中的短路(在此处是相u)。这例如可以在相关联的二极管132短路的情况下发生。
图4示例性的示出了分离的相(在此处是相u)。这可以例如在两个相关联二极管131和132的分离或损坏(非导通状态)期间发生。然而，在将相关联的线路与连接到两个二极管的定子绕组120分开的情况下也会发生该故障。
图5示例性的示出了在低侧路径中的断开(在此处是相u)。例如，当相关联的二极管132在二极管的一侧或者如图中所示，在二极管的两侧被断开时，或者当二极管被损坏时，会发生这种断开。例如，当二极管131断开或损坏时，相应地发生高侧路径中的断开。
在图6至9中，示出了发电机电压u+，发电机电流ig，相y(在图7中未出现)的相电压uy和励磁电流ie在时间t上的曲线。在一时间点之前，设备正常运行，并且在该时间点上，在发电机单元中发生故障。图6至9中的曲线对应于这样的变化，该变化与图2至5所示的故障相对应。为此，应该注意的是，单个曲线图的缩放并不总是与电流或电压以及时间一致，然而这与本发明无关。
在图6中可以看出，发电机电压的高侧路径中的短路仅在发生故障之后短暂地变得明显。发电机电流减小并且相电压关于其振荡模式改变。在励磁电流中，可以看到与没有故障的变化曲线相比，振动明显具有更高振幅。尽管在这种情况下，相位电压也可以识别故障，但励磁电流过程中的故障可以更清楚地看到。1/s振荡的频率f对应于：
f＝nppz/60，
其中n是发电机在1/min内的转数，ppz是发电机的极对数。
励磁电流的这个变化曲线是由短路后相电流的不对称分布产生的，其中包含一个直流分量。随着电机的旋转，这种不相等的直流分量随后传送到电机的转子，因为外部励磁同步电机(例如可以认为是变压器)能够一方面从转子到定子耦合，另一方面还从定子到转子耦合。结果，励磁电流获得明显的交流电流分量，这可以反推出短路。
在图7中，可以看出的是，发电机电压的低侧路径中国的短路仅在发生故障之后短暂地变得明显。并且该发电机电流减小。在励磁电流中，如在高侧路径中的短路一样，可以看到与没有故障的变化曲线相比，振动明显具有更高振幅，由此能够识别出短路。
在图8中可以看出，在故障发生后不久，发电机电压中的整个相的分离由于电压的较大波动并且随后仅略微发生轻微波动而变得明显。发电机电流以提高的幅度进入振动。励磁电流稍微减小并且以比故障发生之前高得多的振幅进入振动。分离的相上的相电压不再受限于整流，因此显示出电机的明显增大的空转电压。但是，在未损坏的阶段(如图所示)，相电压不会改变。
因此不可能从相电压中检测分离的相，除非该缺陷会偶然影响被监测的唯一相。相反，励磁电流清楚地示出相的分离。这里再次出现不对称的相电流分布。在发生短路或断开时，在定子侧产生附加的直流分量，该分量作为交流分量传输到转子侧。相反，在相分离的情况下，相应相中的相电流减小到零。因此，其余相必须补偿这个分量并且因此非对称地负载。在相分离的故障情况下，振荡的频率是前面指出的故障情况的两倍，因此可以从中清楚地区分开来。
在图9中可以看出，低侧路径中的断开导致发电机电压的轻微波动。发电机电流遵循电流分别随着到达相应的分离的低侧路径而其值接近零的振荡。相电压具有比故障之前更高的振幅，并且励磁电流也具有振幅显着增加的振动。
图10a和10b更详细地示出了激励回路的可能电路。计算单元140被示出，其连接到车载电网的正极b+和负极b-。计算单元140使转子绕组110通电。为此，提供了开关112，例如mosfet，其以时钟控制方式操作。
当开关112闭合时，电流从正侧b+经过开关12，第一分支点116，转子绕组110和第二分支点115流向负侧b-。
如果开关112断开，则电流从转子绕组110经由并联连接到转子绕组110续流二极管111的分支点115和116之间回到转子绕组110。
图10a示出流过转子绕组110的励磁电流ie的电流的第一种可能的检测。测量装置113，例如在测量分路上的电压条件，被安装成在正侧b+处的连接和第一分支点116之间被与开关112串联连接。
图10b示出了励磁电流ie的第二种可能的检测，测量装置113在这里在与续流二极管111串联连接，所述续流二极管在与转子绕组110并联连接的分支点115和116之间。
另一个(未示出)检测的激发电流ie的可能性是具有测量装置113，其在与转子绕组110(与续流二极管111并联)串联的分支点115和116之间。其优点在于，励磁电流ie能够开关112的每个开关状态中被确定。
图11示出了在发电机单元的正常情况下，在分支点115和116之间，即，在转子绕组110上下降的电压udf，励磁电流ie和相电压uy时间上的变化曲线，尤其是其没有在图2至图5示出的故障。压udf示出了在打开开关112的情况下的具有平稳期低电压的特征变化曲线和在闭合的开关112的情况下具有波动的或更高的电压平稳期的特征变化曲线。这些平稳期之间的过渡是上升沿或下降沿。
低通滤波的励磁电流ie在电压udf的高平稳期间表现出上升，并且在电压udf的低平稳期间表现出下降。相电压uy具有与励磁电流ie和电压udf不同的频率。电压udf和励磁电流ie的信号具有开关112的时钟频率的周期性，而相电压uy表现出与转子转速成比例的周期性。因此，电压udf和励磁电流ie之间的相关性具有较高的值，励磁电流ie和相电压uy之间的相关性具有较低的值。
图12类似于图11的电压udf，励磁电流ie和相电压uy的变化曲线。与图11相反，图12示出了不是在无故障的正常情况下的曲线，而是存在例如如图2至5所示定子侧故障的情况。
图11可以看出，励磁电流ie的变化曲线具有与相电压uy的变化曲线相同频率的周期性。在此相反地，与图11相比可以看出，励磁电流ie的变化曲线的周期性与电压udf的变化曲线的特性大部分分离。因此，励磁电流ie和相电压uy之间的相关性比图11中所示的情况具有更高的值，而励磁电流ie和电压udf之间的相关性具有比图11中更低的值。
图13示出了图11和图12之间的差异。示出了励磁电流ie的变化曲线和电压udf的变化曲线之间的第一相关k1的时间上的变化曲线。还示出了励磁电流ie的变化曲线和相电压uy的变化曲线之间的第二相关k2的时间上的变化曲线。
例如，可以基于信号变化曲线中的边沿来确定第一相关性k1或第二相关性k2的值。例如，如果像图10a所示的那样确定励磁电流ie，励磁电流ie可如所描述的那样，仅在开关112闭合的时间间隔内被评估。当开关112闭合时，电压udf的值处于高平稳期。
励磁电流ie的变化曲线和电压udf的变化曲线之间的第一相关k1例如这样确定，当检测到在励磁电流ie的变化曲线中没有下降沿大于确定的阈值，而在这期间开关112是闭合的，则第一相关k1的值是高的，在开关112闭合期间，第一相关k1的值越低，则具有越多的在励磁电流ie的变化曲线中的下降沿。
如果像图10b所示的那样确定励磁电流ie，第一相关k1这样确定，当确定在励磁电流ie的变化曲线中没有上升沿，而在这期间开关112是打开(也就是电压udf的值处于低平稳期)，则其呈现一个高的值，并且在开关112打开期间，第一相关k1呈现的值越低，则具有越多的在励磁电流ie的变化曲线中的上升沿。
励磁电流ie的变化曲线和相电压uy的变化曲线之间的第二相关k2同样根据在变化曲线中的上升沿和下降沿来确定。nsie表示在观察时间间隔内的励磁电流ie的变化曲线的上升沿的数目，而nfie相应地表示下降沿的数目。nsuy表示在相同的观察时间间隔内的相电压uy的变化曲线的上升沿的数目，以及nfuy表示相应的下降沿的数目，因此例如第二相关性计算为
k2＝1-(|nsle-nsuy|+|nfle-nfuy|)。
当然，这种形式化可以通过适当地限制在图1的讨论中示出的励磁电流ie的每个测量概念中的观察周期来实现。
当然，第一相关k1和第二相关k2也可以替代地使用这些公式来确定：
k1＝∫ie(t)*udf(t)dt
k2＝∫ie(t)*uy(t)dt
在图13示出的是最初没有故障存在于整流器的情况，然后在时刻t0，整流器的发生故障，例如，如图2至图5示出的故障图。
首先，第一相关k1呈现高值，第二相关k2呈现低值。这对应于图11所示的情况时，即在电压udf呈现高/低平稳期的阶段，ie的电流变化曲线仅仅呈现一个上升/下降沿，相反相电压uy的变化曲线呈现一个上升沿和一个下降沿。
在时刻t0之后，第一相关k1的值下降，第二相关k2的值增加。这对应于图12中所示的情况，在电压udf呈现低或高平稳值的阶段，相电压uy的变化曲线和ie的变化曲线中具有相同数目的下降和上升沿。
图14示出用于识别发电机单元中的故障的流程图，其针对在如图10a中示出的励磁电流的检测的情况来实施。该方法可以例如在发电机调节器140中运行。这里介绍的方法中示出，由于边沿的识别引起的相关的明确计算如何能够识别是否存在故障。如此处所示，即使未明确确定，也会得出依赖于相关量的故障检测的结果。在第一步骤1000中，接收励磁电流ie的值。在接下来的步骤1010中，检查开关112是否被控制，使得可以确定励磁电流ie，也就是开关112是否被这样控制，以使其闭合。如果情况并非如此，那么该方法在步骤1010结束。否则，接着执行步骤1020，其中可选对励磁电流ie的接收信号进行低通滤波。后接可选步骤1030至1050。
在步骤1030中，在可预定的时间窗期间确定励磁电流ie的最小值和最大值，并且确定最大值与最小值之间的差值。该时间窗口可以具有固定长度，或者例如根据操作参数可自由预定。特别是，根据发电机的转数选择长度是有利的，例如与转数成反比。在步骤1040中，检查该差异是否大于可预先给定的阈值。如果不是这种情况，则该方法在步骤1050结束。否则，继续步骤1060。如果可选步骤1030至1050被省略，则步骤1060紧接在步骤1020之后。
在步骤1060中，确定是否存在下降沿。如果是，则进入步骤1070，确定存在故障。这对应于如图12所示的励磁电流ie和电压udf之间的低相关性的情况，否则，执行步骤1080，确定没有故障。这对应于图13中励磁电流ie和电压udf之间具有高相关性的情况。由此结束该方法。
步骤1020中的低通滤波的目的是仅在实际存在故障时才在步骤1060中检测边沿。实际上，由于相电流和信号噪声的反馈，在正常操作中也会出现下降沿，也就是说在无故障状态下。由于低通滤波，这些边沿不被识别为边沿，并且抑制故障跳闸。可选地，在确定下降沿时，可以在步骤1060中设置仅当其超过可预定的最小高度时才识别该边沿。
或者，该方法当然也可以被这样进行，使得在步骤1010中不检查开关112是否被驱动为闭合的，而是检查其是否被驱动为打开的。在这种情况下，步骤1060中是否存在下降沿的检测必须由检查是否存在上升沿的检测来代替。
总体来讲，从正常情况下，在从定子的正常情况转变为故障情况期间，转子绕组110到定子绕组120的主导正向耦合反转成从定子绕组120到转子绕组110的反向耦合。这种行为表现为在正常情况下从高的第一相关性k1和低的第二相关性k2转变为减少的第一相关性k1和增加的第二相关性k2。因此，通过观察这些相关性中的一个或两个，可以确定错误情况。同样，例如在励磁电流中的边沿的确定可以用于确定错误情况。