-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen eines Schnellentregungspfades einer Erregerschaltung für eine fremderregte elektrische Maschine und eine entsprechende Erregerschaltung.
-
Stand der Technik
-
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.
-
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.
-
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.
-
Offenbarung der Erfindung
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 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.
-
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 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Für weitere Erläuterungen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erregerschaltung sei auf die vorstehenden Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt schematisch eine Anordnung mit fremderregter elektrischer Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Erregerschaltung in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Erregerschaltung in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt schematisch einen Ansteuerablauf einer Erregerschaltung bei normalem Betrieb und bei einer Schnellentregung.
- 5 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
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.
-
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 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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).
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 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 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.
-
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.