DE102007043872A1 - Antriebsanordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit einem Motor (1) und einem Umrichter (2), wobei Motor (1) und Umrichter (2) über eine Leistungszuführung und über eine Signalzuführung miteinander verbunden sind, derart, dass über die Leistungszuführung der Umrichter (2) den Motor (1) mit elektrischer Energie versorgt und über die Signalzuführung der Motor (1) dem Umrichter (2) Daten des Antriebs u. a. Drehzahl und Temperatur übermittelt, wobei Temperatursignale von Temperatursensoren (9 bis 11) auf einen Multiplexer (12) im Motor (1) geführt sind, der über den für die Temperatur vorgesehenen Pin die Temperatursignale dem Umrichter (2) bereitstellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung mit Motor und Umrichter, wobei die Wicklungen des Motors thermisch überwacht werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines prinzipiell dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 den Stand der Technik,
  • 2 Motor mit Multiplexer,
  • 3 Umrichter direkt am Motor
  • 4 prinzipielle Arbeitsweise.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aufgrund der thermischen Trägheit der beteiligten Elemente, wie Wicklungen, Isolation etc. sind Taktzeiten des Multiplexers beispielsweise von einigen Sekunden oder Minuten kein Problem.
  • 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.
  • 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.
  • Damit erübrigt sich u. a. eine völlige Neukonstruktion von Steckern und deren Buchsen.
  • Basierend auf dieser Erfindung sind auch die Daten weiterer Temperatursensoren z. B. von Lagern etc. an den Umrichter übermittelbar.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10049506 A1 [0008]

Claims (6)

  1. Antriebsanordnung mit einem Motor (1) und einem Umrichter (2), wobei Motor (1) und Umrichter (2) über eine Leistungszuführung und über eine Signalzuführung miteinander verbunden sind, derart, dass über die Leistungszuführung der Umrichter (2) den Motor (1) mit elektrischer Energie versorgt, und über die Signalzuführung der Motor (1), dem Umrichter (2) Daten des Antriebs u. a. Drehzahl und Temperatur übermittelt, wobei Temperatursignale von Temperatursensoren (9 bis 11) auf einen Multiplexer (12) im Motor (1) geführt sind, der über die für die Temperatur vorgesehenen, insbesondere beiden Pins die Temperatursignale dem Umrichter (2) bereitstellt.
  2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pro Phase des Motors (1), insbesondere pro Phase U-V-W zumindest ein Temperatursensor (9 bis 11) vorgesehen ist.
  3. Antriebsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (9 bis 11) zwischen oder auf den Phasen angeordnet sind.
  4. Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplexer (12) im Motor (1), insbesondere im Signalstecker (14) angeordnet ist.
  5. Verfahren zur Temperaturüberwachung der Wicklungen, insbesondere der Phasen U-V-W eines Motors (1) in dem die Temperaturen dieser Wicklungen kontinuierlich erfasst und an einen im Motor (1) befindlichen Multiplexer (12) weitergeleitet werden, der die Temperatursignale über die dafür vorgesehenen, insbesondere beiden Pins an den Umrichter (2) zur Auswertung weiterleitet und der Umrichter (2) ggf. über die Steuerung eine Leistungsreduzierung des Motors (1) oder eine Abschaltung des Motors (1) herbeiführt.
  6. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungszuführung und/oder Signalzuführung über Leitungen oder direkte Druck- oder Schnappkontakte erfolgt.
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