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，并且其中如果识别到励磁电流的振荡的变化，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，其中检测流过所述电机的所述转子绕组的励磁电流的时间上的变化，并且其中根据高于能预定的转速下限的频率范围中的励磁电流的变化的频谱的频率分量是否大于能预定的阈值来推断在所述发电机单元中的故障。该能预定的转速下限和/或能预定的阈值能够被可变的预定，或者能够被预定为固定值。
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。这是可能的，因为这些故障会影响励磁电流。例如，通过简单地比较相电压和电池电压或车载电网电压的一半，就不能检测整流器与整流器的分离，然而这种分离对励磁电流有影响。
已经认识到，特别是当相电流出现不均衡时，例如由于短路或断开，会发生励磁电流的振荡或振荡。因为可以特别容易地检测到振动，所以能够以简单而有效的方式检测整流器和/或电机中的故障。已经认识到，这些振荡在具有励磁电流过程的频谱中表现出明显的特征。通过分析这个频谱，可以非常容易地检测到发电机组中的故障。
一般地，故障包括在所述整流器和车载电网之间的高侧路径中的短路和/或断开，在所述整流器和车载电网之间的低侧路径中的短路和/或断开和/或相从所述整流器的分离和/或相彼此间的短路。在电机中，故障可能导致定子相对于车载电网的短路，也就是相对于正的(b+)和/或负的(b)电压的短路，定子绕组的导线断开，定子绕组的金属丝之间的短路和/或不同相间的短路。由于诸如例如三相同步电机的电机具有例如三相或五相，所以也可能发生包括不同相位的故障(尽管这也是不可能的)。就此而言，例如，可能发生包括短路和两个不同路径的分离的故障。提到的故障是发电机组中通常发生的故障。特别是，路径的短路或断开导致励磁电流中的显着振动，这可以容易地检测到。同样，由于电流变化，完全的相的分离，即相同相的高侧和低侧路径上的断开导致励磁电流中的振动。这对单相电压的基频没有影响，除非它涉及唯一监测的相位。因此，与传统调节器的情况一样，利用上述已知的相位监控方法，相位的这种分离通常是不可识别的。
在另一方面能够设置，如果高于所述转速下限的所述频率范围中的频谱的累积分布函数大于能预定的所述阈值，则推断在所述发电机单元中的故障。该方法是尤其简单的。
在另一方面能够设置，确定故障频率，在所述故障频率的环境中，所述励磁电流的所述变化的所述频谱的所述频率分量大于能预定的阈值。这意味着所有频率分量与处于该环境内的频率之和大于可预定的阈值。环境尤其可以是以较低频率边界为下限并且以较高频率边缘为上限的区域，特别是固定或可固定限定的宽度的范围，其中故障频率在该范围内。已经表明，根据发电机单元中存在哪个故障，励磁电流过程的频谱中的不同频率的频率分量呈现出大的值。通过提取一个或多个故障频率，可以特别可靠地识别出现哪个故障。
特别是能够设置，将故障频率分类到可能的故障。因此可以设置，对于来自所述发电机单元中的可能的故障列表中的故障，根据所确定的所述故障频率推断，该故障是否存在于所述发电机单元中。特别是，还可以根据该故障来确定发生器单元中可能的故障列表中的多于一个的故障。以这种方式，可以以特别简单的方式对发电机单元进行综合诊断。
特别是能够设置，所述可能的故障列表包括在所述整流器和车载电网之间的高侧路径中的短路和/或断开，在所述整流器和车载电网之间的低侧路径中的短路和/或断开和/或相从所述整流器的分离，并且其中根据所确定的所述故障频率来推断哪些故障存在。已经发现，基于故障频率区分是相短路还是相分离是特别容易的。
能够设置，如果所述所确定的所述故障频率在所述低侧路径中相应于所述发电机的转数乘以所述发电机的极对数，则推断出在所述高侧路径中或在所述低侧路径中存在短路。这种短路是在高侧部分还是低侧部分出现，最初不能根据故障频率来区分。
然而，根据相电压的时间变化，这种区分是可能的。特别地，这里不需要存在短路存在于其高侧路径或低侧路径中的相，并且评估相电压的时间上的变化的相是相同的相。
在另一方面能够设置，如果推断出在所述高侧路径中或在所述低侧路径中存在短路，执行所述励磁电流的量值的减少或所述励磁电流的脉动。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。
通过减小励磁电流，在定子中流动的电流也减小，从而对励磁电流的反馈也减小。以这种方式，通过有效地减少发电机的功率输出可以特别安全地抑制故障。
在另一方面能够设置，如果所确定的所述故障频率相应于所述发电机的转数的两倍乘以所述发电机的极对数，则推断出所述分离
此外，如果已经识别出在所述发电机单元中存在故障，但是所述故障不被确定属于可能的故障列表中的任一个故障，则能够设置将所述发电机关闭。这使得该方法是特别安全的。
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10a和10b分别示出了励磁电流的变化的振幅谱。
图11示出了相的高侧短路的相电压降的变化。
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分别示出了励磁电流ie的变化的振幅谱。绘出的是频率f上频谱的分离a。图10a示出了正常情况下的这种振幅谱，图10b示出了上述故障情况之一。可以清楚地看出，明显增加的频率分量a导致高于下限转数sw的频率f出现故障。共同限定了宽度d的频率间隔的下频率边缘u和上频率边缘o之间的区域大于阈值s的频率分量a。在该频率区间内，例如在下频率边缘u和上频率边缘o之间的中间，存在因此而标识的故障频率f_f，通过该故障频率可以确定发电机单元中存在哪个故障。
事实是，通常，对于宽度d的频率间隔，频率分量a大于阈值s，则已经可以推断出存在故障。
基于故障频率f_f可以特别地识别是否存在如图2和3所示的短路。然后借助于相电压uy可以确定是否存在图2中所示的相到高侧的短路或图3中所示的相到低侧的短路。
图11以相u的高侧短路(图11a)的情况或相u的低侧短路的情况作为例子示出相电压uy随时间t的曲线。可以看出，相电压uy的相电平的持续时间的信号变为电压电平“高”或“低”。在高侧短路的情况下，“高”相电平从“低”相电平开始扩大，在低侧短路的情况下，则相反。通常“高”相电平和“低”相电平持续相同的时间长度。这与短路存在的相无关。
如果不像图11那样，而是将短路直接施加到与调节器连接的相y上，则在该相y的短路在车载电网150的正侧b+之后的情况下，调节器端子处的相电压uy的变化曲线持续处于该正侧b+的高电位。而在该相y短路与在车载电网150的负侧b-的情况下，则给出连续处于该低侧b-的低电位的相电压曲线。因此，借助于相电压uy，可以区分故障图像。
总之，可以看出，整流器和/或电机中的所有故障可以基于励磁电流的频谱来检测。因为无论如何励磁电流都能够由于调制器中的调节而被检测到，所以本方法可以非常容易地实现。
也可以设置，所识别的的故障通过接口传送给上级控制单元。