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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit Motor und Umrichter,
wobei die Wicklungen des Motors thermisch überwacht werden.
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Zum
Schutz von Elektromotoren, insbesondere drehzahlregelbaren Antrieben,
gegen Überhitzung wird üblicherweise ein Temperatursensor
in das Wicklungssystem eingebracht, das meistens aus drei voneinander
zu isolierenden Phasen gebildet wird. Dieser Temperatursensor besitzt
eine lineare Kennlinie zur kontinuierlichen Überwachung
der Wicklungstemperatur des Motors. Üblicher Weise wird
der Spannungsabfall dieses Temperatursensors in einem dem Motor
zugeordneten Umrichter ausgewertet, um damit Rückschlüsse
auf eventuelle Überlastungen des Motors treffen zu können.
Standardmäßig ist pro Motor dabei nur ein Temperatursensor
vorgesehen, der sich meistens zwischen zwei Phasen des Wicklungssystems
befindet.
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Drehzahlveränderbare
Antriebe, insbesondere im Werkzeugmaschinenbau, können
bestimmte Positionen anfahren und diese auch unter Last halten.
Dabei kann es zu einer einseitigen Belastung der drei Wicklungsphasen
kommen. Ist die Phase mit der höchsten Belastung gerade
diejenige welche nicht durch den Temperatursensor geschützt
ist, so kann diejenige Wicklung zerstört werden, ohne dass
der Umrichter eine Meldung erhält, und eine zeitige Abschaltung
herbeiführt.
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Es
gibt Temperatursensoren mit einer nicht linearen Kennlinie (sprunghafte
Widerstandsänderung als Abschaltfunktion). Diese Temperatursensoren können
in Reihe geschaltet werden, so dass jede Wicklungsphase geschützt
werden kann. Falls einer der in Reihe geschalteten Sensoren eine
Widerstandsänderung erfährt, ist der Gesamtwiderstand der
Kette deutlich größer als der Gesamtwiderstand im
Normalfall, somit kann ein Abschalten des Antriebs eingeleitet werden.
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Mit
diesen Temperatursensoren ist jedoch keine kontinuierliche Temperaturüberwachung
möglich. In vielen Fällen ist aber eine kontinuierliche
Temperaturüberwachung notwendig um rechtzeitig vor dem
Abschalten des Antriebs reagieren zu können, z. B. einen
laufenden Prozess definiert abbrechen zu können bzw. die
Last am Motor etwas zurückzunehmen und somit den Prozess
definiert zu beenden.
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Auch
eine Kombination von Temperatursensoren mit linearer Kennlinie (zur Überwachung)
und nicht lineare Kennlinie (zum Abschalten) ist prinzipiell möglich
und wird in einigen Sonderfällen auch realisiert. Für
den überwiegenden Teil der Motoren jedoch ist dies aber
nicht vorgesehen. Die zusätzlich benötigten Anschlüsse
für den zweiten Temperatursensor können in vielen
Fällen nicht bereitgestellt werden, da sich bei einem Großteil
der Motoren vorgegebene Signalstecker zugeordnet sind und diese
lediglich jeweils zwei Pins für die Signalübertragung
des Temperatursensors vorsehen.
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Alternativ
dazu gibt es die sogenannte I2t-Überwachung.
Hierbei werden der vom Motor aufgenommene Strom und die Zeit überwacht
und mittels eines zugrundeliegenden Rechenmodells ausgewertet und
festgestellt ob eine Überhitzung des Motors vorliegt. Problematisch
hierbei ist, dass das Rechenmodell nicht alle Randbedingungen berücksichtigen
kann (z. B. Serienstreuung bei der Entwärmung, zusätzliche
Anbauten, isolierter Anbau des Motors etc). Ein Rechenmodell kann
somit die Wirklichkeit nur unzulänglich darstellen. Extremfälle
können nur sehr schwer berücksichtigt werden.
Entweder müssen große Sicherheiten eingebaut werden, was
zu häufigen Abschaltvorgängen führen
würden, oder aber es werden nur Standardprozesse berücksichtigt,
was dazu führen kann, dass bei extremen Betriebszuständen
des Motors und, z. B. isolierter Anbau des Motors dieser trotzdem
zerstört werden kann.
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Aus
der
DE 100 49 506
A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Betriebszustand
eines Elektromotors überwacht wird. Das Verfahren speichert
in einem Speicherelement Allgemeintrend-, Prognose-, Diagnose- und
Gefahrensituationsinformation, die den Betriebszustand des Motors
kennzeichnen. Das dort beschriebene Verfahren umfasst die Schritte,
Erfassen von Betriebszuständen des Elektromotors, kennzeichnende
Eigenschaften, wie etwa Vibration, Temperatur, magnetischer Fluss
und an die Motorwicklung angelegte Spannung und Erzeugung von Sensorsignalen,
die mit den erfassten Eigenschaften in Beziehung stehen. Um das
Auftreten eines ersten Umstandes hin, etwa wenn die Messung der
Motorgeschwindigkeit, der Wicklungstemperatur und der Spannung anzeigen,
dass der Motor innerhalb seines normalen Lastprofils betrieben wird,
wird eine Prognoseinformation aus den Sensorsignalen herausgelöst.
Die Prognoseinformation liefert ein Profil des Zustandes des Motors über
die Zeit ohne die Einflüsse von Änderungen der
Lasten, Temperaturen und Spannungen. Auf das Auftreten eines zweiten Umstandes
hin, etwa wenn der Lastfaktor des Motors innerhalb eines Lastfaktors
bereitliegt, der für den Motor am gebräuchlichsten
ist, werden Diagnoseinformationen aus den Sensorsignalen herausgelöst.
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Ausgehend
davon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, in einfacher Art
und Weise eine Temperaturerfassung und Auswertung der Wicklungstemperaturen
vorzusehen, die einen sicheren Betrieb des Motors gewährleistet.
Dabei sollen bisher bestehende Signalleitung und Steckerstandards
berücksichtigt werden.
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Die
Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Antriebsanordnung
mit einem Motor und einem Umrichter, wobei Motor und Umrichter über eine
Leistungszuführung und über eine Signalzuführung
miteinander verbunden sind, derart, dass über die Leistungszuführung
der Umrichter den Motor mit elektrischer Energie versorgt, und über
die Signalzuführung der Motor, dem Umrichter Daten des
Antriebs u. a. Drehzahl und Temperatur übermittelt, wobei
Temperatursignale von Temperatursensoren auf einen Multiplexer im
Motor geführt sind, der über die für
die Temperatur vorgesehenen Pins die Temperatursignale dem Umrichter
bereitstellt.
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Die
Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein Verfahren
zur Temperaturüberwachung der Phasen U-V-W der Wicklungen
eines Motors in dem die Temperaturen der Wicklungen kontinuierlich
erfasst und an einen im Motor befindlichen Multiplexer weitergeleitet
werden, der die Temperatursignale über die dafür
vorgesehenen Pins an den Umrichter zur Auswertung weiterleitet und
der Umrichter über die Steuerung eine Leistungsreduzierung des
Motors oder eine Abschaltung des Motors herbeiführt.
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Erfindungsgemäß wird
nunmehr pro Phase mindestens ein Temperatursensor vorgesehen, der die
Wicklung dieser Phase überwacht. Diese Temperatursensoren
weisen eine lineare Kennlinie auf. Da diese Temperatursensoren nicht
in Reihe geschaltet werden können werden, werden nunmehr
die einzelnen Temperatursensoren auf einen Multiplexer gelegt und
zusammengefasst und an den Umrichter weitergeleitet.
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Der
Multiplexer schaltet innerhalb vorgebbarer Zeitabstände
zwischen den einzelnen Temperatursensoren um und leitet jeweils
nur ein Signal weiter. Durch das Umschalten zwischen den Temperatursensoren
innerhalb eines vorgebaren Zeitraumes werden praktisch alle Phasen
des Motors nahezu zeitgleich überwacht. Der Multiplexer
befindet sich vorteilhafter Weise innerhalb des Motors so dass nach
außen hin zum Umrichter kein Unterschied zu einem Standardmotor
mit nur einem Temperatursensor auftritt. Es können die
gleichen Stecker wie bisher verwendet werden.
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Aufgrund
der thermischen Trägheit der Wicklungen und/oder Isolierungen
der Wicklungen ist es völlig ausreichend, wenn innerhalb
eines vergleichsweise kurzen Zeitraums jeweils nur eine Temperaturinformation
einer Phase an den Umrichter weitergeleitet wird. Aufgrund der vorgebbaren
Taktzeiten wird so in einem vorgebbaren Zeitraum (einige Sekunden oder
Minuten) jeder Temperatursensor abgefragt.
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Es
ist also weiterhin nur eine Temperaturauswerteelektronik vorgesehen
und es können die vorhandenen Steckmodule zwischen Motor
und Umrichter weiter verwendet werden, wobei man eine komplette
Temperaturüberwachung der Phasen des Motors erhält.
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Die
zwischen Motor und Umrichter vorhandenen Steckmodule können
Buchsen und Stecker mit Leitungen als auch Direktkontakte zwischen Buchse
und Stecker sein. D. h., dass in dem einen Fall der Umrichter über
Leitungen, seien es Leistungsleitungen oder Signalleitungen mit
dem Motor verbunden ist und im anderen Fall der Umrichter direkt
auf den Motor positioniert ist, d. h. das anhand von Schnapp- oder
Druckkontakten eine direkte Kontaktierung vorliegt.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
werden anhand eines prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Darin zeigen:
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1 den
Stand der Technik,
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2 Motor
mit Multiplexer,
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3 Umrichter
direkt am Motor
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4 prinzipielle
Arbeitsweise.
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1 zeigt
den Stand der Technik in prinzipieller Darstellung. Dabei ist ein
rotatorischer Motor 1 mit seinem Wicklungssystem U-V-W
gezeigt. Ein Temperatursensor 8 ist beispielsweise zwischen
zwei Phasen der Wicklungen, in diesem Fall U und V angeordnet. Insbesondere
bei Zahnspulenmotoren ist der Temperatursensor 8 auch direkt
auf einer Phase angebracht.
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Des
Weiteren befindet sich im Motor ein Encoder 7, der die
Informationen über Winkelgeschwindigkeit etc. an einen
Signalstecker des Motors 14 weiterleitet. Diese Informationen
werden von dort über einen Signalstecker 14 und über
Signalleitungen 5 an einen Umrichter 2 weitergeleitet.
Jeder Pin des Signalsteckers ist somit für die Übermittlung
vorgegebener Daten reserviert. Des Weiteren hat der Umrichter 2 einen Ausgang, über
den die elektrische Leistung über einen Leistungsstecker 4 des
Motors 1 zu den Wicklungen gelangt. Über diese
Leistungsleitung 3 wird die letztendlich abgegebene mechanische
Leistung des Motors über den Umrichter 2 gesteuert.
Der Temperatursensor 8 ist im vorliegenden Fall zwischen
den Phasen U und V angeordnet und kann in diesem Fall auch nur diese
beiden Phasen überwachen. Die Phase W ist dabei nicht überwacht. Durch
eine unsymmetrische Belastung der Wicklungen U-V-W kann nunmehr
die Phase W zu heiß werden und der Motor beschädigt
werden. Die oben beschriebenen anderen Möglichkeiten der
Temperaturüberwachung sind aufgrund der vorhandenen Konstellation,
d. h. der vorhandenen Ausgänge bzw. Eingänge beim
Umrichter 2 nicht geeignet um eine komplette Temperaturüberwachung
der Wicklungen U-V-W zu gewährleisten.
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Aus
diesem Grund wird gemäß 2 jeweils an
den Wicklungen, insbesondere zwischen den Wicklungen U-V-W Temperatursensoren 9, 10, 11 vorgesehen
und deren Temperatursignale auf einen Multiplexer 12 gegeben,
von dem aus die jeweilig vorgesehenen Pins des Signalsteckers 14 mit
der Information getaktet versorgt wird. Somit erhält der Umrichter 2 über
die, insbesondere beiden Pins des Signalsteckers 6 getaktete
Temperatursignale. Bei Überschreiten eines vorgegebenen
Temperaturwerts, wie er in 4 angedeutet
ist (Tgrenz), kann der Umrichter 2 den
Motor definiert abschalten.
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Aufgrund
der thermischen Trägheit der beteiligten Elemente, wie
Wicklungen, Isolation etc. sind Taktzeiten des Multiplexers beispielsweise
von einigen Sekunden oder Minuten kein Problem.
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Um
ein thermisches Abbild der gesamten Wicklung zu erhalten, ist es
vorteilhaft jede Phase U-V-W mit mehr als einem Temperatursensor
zu bestücken, da aufgrund der thermischen Trägheit
der beteiligten Elemente auch bei größerer Taktzeit nichts
zu befürchten ist, erhält man dadurch eine äußerst
genaue und präzise Temperaturüberwachung.
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Damit
wird eine komplette thermische Überwachung, insbesondere
der Phasen beispielsweise U-V-W geschaffen, wobei die bisherigen
Stecker, Signalleitungen, die bei singulärer Temperaturüberwachung
eingesetzt sind, verwendet werden können.
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Damit
erübrigt sich u. a. eine völlige Neukonstruktion
von Steckern und deren Buchsen.
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Basierend
auf dieser Erfindung sind auch die Daten weiterer Temperatursensoren
z. B. von Lagern etc. an den Umrichter übermittelbar.
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Zwischen
Motor 1 und Umrichter 2 befinden sich normalerweise
Leitungen, d. h. Leistungsleitungen 3 mit denen die elektrische
Energie an den Motor 1 übergeben wird, und Signalleitungen 5 mit
denen Informationen aus dem Motor, z. B. über Temperatur und
Winkellage über Signalstecker 14 und 6 ausgegeben
werden.
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Um
das gesamte Antriebssystem kompakter zu gestalten und gegebenenfalls
EMV Eingriffmöglichkeiten, insbesondere in die Signalleitungen
zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft den Umrichter 2 mit
einzelnen Steckkontakten, die dann den Signalleitungen und/oder
Leistungsleitungen entsprechen, zu versehen und diese in entsprechende
Buchsen des Motors 1 einzusetzen.
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Damit
entfallen die Leitungsführung von Leistungsleitungen 3 und
Signalleitung 5 komplett und die Verbindungen werden nunmehr
lediglich durch Druck- oder Schnappkontakte an der Signalsteckerleiste 14 oder
Leistungssteckerseite 4 hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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