DE102015000986A1 - Verfahren zur Sicherheitsüberwachung und Antriebseinheit mit einer Kontrolleinheit zur Sicherheitsüberwachung - Google Patents

Verfahren zur Sicherheitsüberwachung und Antriebseinheit mit einer Kontrolleinheit zur Sicherheitsüberwachung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (26) zur Sicherheitsüberwachung eines mittels eines Umrichters (6) betriebenen Elektromotors (4), bei dem ein Flussraumzeiger ) mit einem Winkel (α) bestimmt wird. Eine zeitliche Änderung des Winkels (α) wird bestimmt und als Drehzahl (n) herangezogen. Ferner wird eine sichere Funktion (SLS) mit der Drehzahl (n) als Eingabewert ausgeführt. Die Erfindung betrifft zudem eine Antriebseinheit (2) mit einem Umrichter (6), und/oder mit einem Elektromotor (4), sowie mit einer Kontrolleinheit (24) zur Sicherheitsüberwachung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherheitsüberwachung eines mittels eines Umrichters betriebenen Elektromotors sowie eine Antriebseinheit mit einer Kontrolleinheit zur Sicherheitsüberwachung. Die Antriebseinheit umfasst bevorzugt einen Umrichter und einen Elektromotor.
  • Industrieanlagen weisen üblicherweise eine Vielzahl an rotierenden elektrischen Maschinen auf, mittels derer beispielsweise Werkzeuge oder Förderbänder angetrieben werden. Die hierfür benötigte elektrische Energie wird mittels Umrichtern bereitgestellt, die signaltechnisch mit einer Prozesssteuerung gekoppelt sind. Mittels der Prozesssteuerung wird eine Soll-Drehzahl vorgegeben, auf die die jeweilige elektrische Maschine mittels des zugeordneten Umrichters geregelt wird. Der Umrichter ist elektrisch mit einem Versorgernetzwerk gekoppelt und weist einen Halbleiterschalter auf, der in Reihe zwischen dem Versorgernetzwerk und der elektrischen Maschine geschaltet ist. Die Ansteuerung des Halbleiterschalters erfolgt derart, dass die Drehzahl der elektrischen Maschine der von der Prozesssteuerung vorgegebenen Soll-Drehzahl entspricht. Die mittels des Halbleiterschalters geschalteten elektrischen Spannungen betragen üblicherweise über 800 Volt. Die geschalteten elektrischen Ströme weisen eine Stromstärke oberhalb von 1 A oder 10 A auf.
  • Um eine Verletzung von Bedienpersonal der elektrischen Maschine auszuschließen oder derartige Folgen zu vermindern, sind sogenannte „Not-Aus”-Schalter bekannt. Bei einer unbefugten oder ungewollten Annäherung einer Person an die elektrische Maschine wird dieser Schalter manuell betätigt, um einen Betrieb der elektrischen Maschine im Wesentlichen unverzüglich zu beenden. Hierfür ist der Schalter meist signaltechnisch mit der Prozesssteuerung gekoppelt. Mittels der Prozesssteuerung wird bei Betätigung des Schalters ein Signal an das Regelteil übermittelt, und infolgedessen wird die Bestromung der elektrischen Maschine unterbunden. Hierfür wird der Leistungshalbleiterschalter meist in einen elektrisch nicht leitenden Zustand versetzt.
  • Soll jedoch die elektrische Maschine oder aber das mittels der elektrischen Maschine angetriebene Werkzeug eingestellt oder kalibriert werden, ist eine derartige Sicherheitsfunktion nicht geeignet, da auf diese Weise nicht der vollständige mittels des Werkzeugs abgefahrene Bereich kontrolliert werden kann. Daher ist es üblich, die elektrische Maschine mit einer begrenzten Drehzahl zu betreiben, bei der eine Verletzung einer das Werkzeug bzw. die elektrische Maschine einstellenden Person ausgeschlossen ist. Hierfür wird üblicherweise die tatsächliche Drehzahl der elektrischen Maschine mittels eines sogenannten sicheren Gebers erfasst, und bei einem ungewollten Überschreiten der begrenzten Drehzahl wird der Umrichter stromlos geschaltet. Mittels des sicheren Gebers ist hierbei sichergestellt, dass die tatsächliche Drehzahl der elektrischen Maschine fehlerfrei, zumindest jedoch mit lediglich einem vergleichsweise geringen Fehler auch unter widrigen Umständen erfasst wird.
  • Ein sicherer Geber ist jedoch vergleichsweise kostenintensiv. Auch weist ein derartiger sicherer Geber, insbesondere dessen Überwachungselektronik, bei Betrieb einen vergleichsweise hohen Energiebedarf auf. Zudem ist es dennoch möglich, wenn auch unwahrscheinlich, dass die Drehzahl der elektrischen Maschine nicht korrekt ermittelt, oder aber nicht korrekt mittels der Überwachungselektronik ausgewertet wird, was zu einer sogenannten eingefrorenen Lageinformation führt. In diesem Fall wird ein Überschreiten der begrenzten Drehzahl nicht oder zumindest nicht rechtzeitig erkannt, sodass dennoch eine Verletzung von Personen erfolgen kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Sicherheitsüberwachung eines mittels eines Umrichters betriebenen Elektromotors sowie eine besonders geeignete Antriebseinheit mit einer Kontrolleinheit zur Sicherheitsüberwachung anzugeben, bei denen zweckmäßigerweise eine Sicherheit erhöht und vorzugsweise Kosten gesenkt sind.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Antriebseinheit durch die Merkmale des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Das Verfahren dient der Sicherheitsüberwachung eines mittels eines Umrichters betriebenen Elektromotors, wobei der Elektromotor insbesondere mittels des Umrichters bestromt wird. Der Elektromotor ist beispielsweise ein Asynchronmotor, jedoch bevorzugt ein Synchronmotor, wie z. B. ein Synchron-Reluktanzmotor, oder ein permanenterregter Synchronmotor. Der permanenterregte Synchronmotor umfasst beispielsweise asymmetrische Induktivitäten, insbesondere ist die Querinduktivität (Ld) kleiner als die Längsinduktivität (Lq). Beispielsweise weist der permanenterregte Synchronmotor vergleichsweise tief eingebettete/vergrabene Magneten auf, bei denen bei Betrieb geeigneterweise zusätzlich ein Reluktanzmoment genutzt wird. Alternativ oder in Kombination hierzu wird der permanenterregte Synchronmotor im Feldschwächungsbereich betrieben. In einer weiteren Alternative ist der Elektromotor ein fremderregter Synchronmotor, der vorzugsweise vergleichsweise ausgeprägte Pole aufweist. Insbesondere ist die Querinduktivität (Ld) größer als die Längsinduktivität (Lq)
  • Beispielsweise ist der Elektromotor ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) oder besonders bevorzugt ein Servomotor. Geeigneterweise weist der Elektromotor zwei oder drei elektrische Phasen auf, die zueinander um insbesondere 120° versetzt sind. Der Umrichter weist vorzugsweise einen Halbleiterschalter, beispielsweise vier oder sechs Halbleiterschalter auf, die zweckmäßigerweise in einer Brückenschaltung miteinander verschaltet sind. Mit anderen Worten weist der Umrichter eine B4- oder B6-Schaltung auf. Vorzugsweise umfasst der Umrichter einen Zwischenkreis der gegen die Brückenschaltung geführt ist. Insbesondere umfasst der Umrichter eine Gleichrichterseite, die mit einem Versorgungsnetz gekoppelt ist, die beispielsweise einen Drehstrom mit einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz aufweist.
  • Das Verfahren sieht vor, dass ein Flussraumzeiger bestimmt wird. Der Flussraumzeiger ist ein Vektor und weist folglich einen Winkel gegenüber einem definierten weiteren Vektor oder einer Geraden auf. Der weitere Vektor bzw. die Gerade ist während des Verfahrens insbesondere konstant. In einem weiteren Arbeitsschritt wird eine zeitliche Änderung des Winkels bestimmt. Hierfür wird beispielsweise zunächst erneut der Flussraumzeiger bestimmt, also erneut der Winkel ermittelt. Anhand der beiden ermittelten Winkel wird unter Heranziehung der zwischen diesen beiden Zeitpunkten liegenden Zeitspanne die zeitliche Änderung bestimmt. Mit anderen Worten wird der Zeitpunkt zur Ermittlung jedes Winkels erfasst und die Veränderung des Winkels bei erneuter Ermittlung des Winkels ins Verhältnis zur zwischen diesen beiden Zeitpunkten liegenden Zeitspanne gesetzt. Insbesondere wird der Winkel im Wesentlichen kontinuierlich bestimmt, wobei die Zeitspanne vorzugsweise konstant ist. In einer Alternative hierzu wird aus der zeitlichen Änderung des Flussraumzeigers die zeitliche Änderung des Winkels abgeleitet.
  • Die zeitliche Änderung des Winkels wird als Drehzahl herangezogen. Mit anderen Worten wird die Änderung des Winkels als Drehzahl verwendet. Die Drehzahl wird als Eingabewert einer sicheren Funktion herangezogen. Die Drehzahl wird somit als der Eingabewert der sicheren Funktion verwendet, wobei die sichere Funktion einen einzigen Eingabewert oder eine Anzahl an Eingabewerten aufweist. Mit anderen Worten wird die sichere Funktion mit der Drehzahl als Eingabewert ausgeführt. Unter Eingabewert wird insbesondere ein Parameter der sicheren Funktion, aber auch besonders bevorzugt die Variable der sicheren Funktion verstanden. Mittels der sicheren Funktion werden der Umrichter und/oder der Elektromotor in einen sicheren Zustand überführt und/oder in einem sicheren Zustand belassen, sodass im Wesentlichen keine Verletzung von Personen oder eine Beschädigung einer Umgebung dieser zu erwarten ist. Zusammenfassend sieht das Verfahren vor, dass die sichere Funktion ausgeführt wird, wobei als Eingabewert die Drehzahl herangezogen wird, die mittels der zeitliche Änderung des Winkels bestimmt wird, den der Flussraumzeiger aufweist.
  • Aufgrund der Verwendung des Flussraumzeigers ist eine zuverlässige Ausführung der sicheren Funktion gewährleistet, wobei die hierfür verwendete Drehzahlermittlung vergleichsweise stabil ist. Mit anderen Worten führt deren Ermittlung einerseits zu keinen Singularitäten und andererseits zu einem vergleichsweise geringen Fehler. Auch ist hierfür keine Auswertung von Messwerten eines Drehzahlgebers erforderlich. Die Drehzahlermittlung und somit auch die zuverlässige Ausführung der sicheren Funktion sind zudem auch bei einer etwaigen Drehzahländerung des Elektromotors gesichert, also einer Beschleunigung oder Abbremsung.
  • Geeigneterweise ist der Umrichter und/oder der Elektromotor Bestandteil einer Industrieanlage. Insbesondere weist der Umrichter eine maximale Leistungsabgabe und/oder der Elektromotor eine maximale Leistungsaufnahme zwischen 700 W und 500 kW auf. Zweckmäßigerweise ist die Leistungsabgabe/Leistungsaufnahme größer oder gleich 1 kW, 5 kW, 10 kW, 50 kW, 100 kW oder 200 kW. Zum Beispiel ist die Leistungsabgabe/Leistungsaufnahme kleiner oder gleich 400 kW, 250 kW, 100 kW, 50 kW, 15 kW oder 2 kW.
  • Zweckmäßigerweise wird der Flussraumzeiger mittels eines elektrischen Motorstroms (Statorstrom) bestimmt. Mit andern Worten wird der elektrische Motorstrom zur Ermittlung des Flussraumzeigers herangezogen. Folglich wird der mit Hilfe des Umrichters bereitgestellte elektrische Strom bestimmt, insbesondere erfasst, mittels dessen der Elektromotor bestromt wird. Dies erfolgt zweckmäßigerweise mittels eines Sensors zum Strommessen, also mittels direkter Messung. Folglich wird der Motorstrom gemessen. Vorzugsweise wird der elektrische Stromfluss einer Leitung erfasst, mittels derer der Umrichter und der Elektromotor elektrisch verbunden sind. Beispielsweise umfasst der Stromsensor einen Hall-Sensor, der geeigneterweise innerhalb eines Schlitzes eines geschlitzten Rings aus einem weichmagnetischen Material positioniert ist. Hierbei umgibt der Ring zweckmäßigerweise die Leitung, mittels derer der Elektromotor bestromt wird. Insbesondere wird ein Stromraumzeiger (Raumzeiger des elektrischen Motorstroms; Statorstromzeiger) ermittelt. Mit anderen Worten wird der elektrische Motorstrom als Vektor mit einem drehmomentbildenden Anteil, nämlich Iq, und einem flussbildenden Anteil, nämlich Id ermittelt, wobei der Vektor dem Stromraumzeiger entspricht.
  • Sofern der Elektromotor ein Synchronmotor ist, wird dieser in diesem Fall bevorzugt mit einem flussbildenden Anteil Id betrieben, der verschieden von Null (0) ist.
  • Alternativ oder in Kombination hierzu wird der Flussraumzeiger mittels einer elektrischen Motorspannung bestimmt. Folglich wird die elektrische Motorspannung zur Ermittlung des Flussraumzeigers herangezogen. Vorzugsweise wird hierfür ein Raumzeiger der elektrischen Motorspannung bestimmt. Mit anderen Worten wird die elektrische Motorspannung vektoriell bestimmt. Es wird also ein d- und ein q-Anteil der elektrische Motorspannung bestimmt. Insbesondere wird die elektrische Motorspannung gemessen, was zu einer vergleichsweise hohen Sicherheit führt. Hierfür weist der Elektromotor geeigneterweise einen Spannungssensor auf.
  • Alternativ hierzu wird die elektrische Motorspannung anhand einer Zwischenkreisspannung des Umrichters ermittelt, was zu einer verringerten Anzahl an Bauteilen führt, sodass der Elektromotor vergleichsweise kostengünstig erstellt werden kann. Die Zwischenkreisspannung ist insbesondere diejenige elektrische Spannung, die zwischen einer Gleichrichterseite und einer Wechselrichterseite des Umrichters herrscht. Zwischen den Zwischenkreis und den Elektromotor ist ein Halbleiterschalter der Wechselrichterseite geschaltet. Je nach Schaltzustand des Halbleiterschalters wird der Elektromotor in eine Rotationsbewegung versetzt. Beispielsweise wird der Halbleiterschalter mittels Pulsen (Steuerungssignalen) von einem elektrisch leitenden in einen elektrisch nicht leitenden Zustand versetzt. Insbesondere ist die Wechselrichterseite mittels einer Brückenschaltung realisiert, die den Halbleiterschalter aufweist, insbesondere mehrere Halbleiterschalter, der bzw. die bei Ausführen einer sicheren Funktion zweckmäßigerweise gesperrt ist. Zweckmäßigerweise weist der Halbleiterschalter eine Freilaufdiode auf. Geeigneterweise weist die Gleichrichterseite eine Anzahl an Dioden auf, die in einer Brückenschaltung miteinander verschaltet sind, wobei die Gleichrichterseite elektrisch zwischen einem elektrischen Versorgernetz und dem Zwischenkreis geschaltet ist.
  • Zweckmäßigerweise wird zur Ermittlung der elektrischen Motorspannung der Zustand des Halbleiterschalters herangezogen, der insbesondere Bestandteil der Brückenschaltung ist, sofern diese vorhanden ist. Vorzugsweise wird eine Frequenz der Steuerungssignale des Halbleiterschalters ermittelt. Hierfür werden zweckmäßigerweise die Steuerungssignale des Halbleiterschalters gefiltert, oder aber die Zeitabstände zwischen einzelnen Flanken der Steuerungssignale werden ermittelt. Die Frequenz kann auch beispielsweise mittels Zeiterfassung zwischen Nulldurchgängen oder einer Fourier-Transformation der Phasenwerte ermittelt werden. Zur Ermittlung der elektrischen Motorspannung werden somit die bekannten Schaltzustände des Halbleiterschalters herangezogen, sowie die bekannte Zwischenkreisspannung. Folglich ist eine Ermittlung der elektrischen Motorspannung ohne Zuhilfenahme von zusätzlichen Sensoren ermöglicht, wobei die Schaltsignale des Halbleiterschalters insbesondere mittels einer Elektronik des Umrichters erstellt werden.
  • Beispielsweise wird zur Bestimmung des Flussraumzeigers ein, insbesondere elektrischer, Statorwiderstand herangezogen. Dieser wird beispielsweise bei Fertigung des Elektromotors bestimmt, beispielsweise mittels Messung oder aber mittels Berechnung anhand der verwendeten Materialien. Insbesondere wird bei Bestimmung des Flussraumzeigers davon ausgegangen, dass der Statorwiderstand konstant ist. Mit anderen Worten wird ein konstanter Statorwiderstand zur Berechnung des Flussraumzeigers herangezogen.
  • In einer Alternative hierzu wird zur Bestimmung des Flussraumzeigers ein temperaturabhängiger Statorwiderstand herangezogen. Mit anderen Worten wird der Statorwiderstand, der zur Bestimmung des Flussraumzeigers herangezogen wird, in Abhängigkeit der Temperatur nachgeführt. Auf diese Weise ist die Ermittlung des Flussraumzeigers vergleichsweise exakt, sodass ein etwaiger Fehler bei der Ermittlung der Drehzahl vergleichsweise gering ist, unabhängig vom aktuellen Zustand oder Umgebungsparametern des Elektromotors. So ist sowohl bei einem Anlaufen des Elektromotors und einer folglich geringen Temperatur, als auch bei dem Elektromotor, der aufgrund einer erhöhten Belastung oder einer erhöhten Betriebsdauer eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweist, eine sichere Drehzahlermittlung ermöglicht.
  • Beispielsweise wird zur Ermittlung des temperaturabhängigen Statorwiderstands die Temperatur des Stators gemessen. Insbesondere umfasst der Elektromotor hierfür einen Temperatursensor. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise präzise Ermittlung der Temperatur des Stators und somit auch des aktuell gültigen Statorwiderstands ermöglicht. In einer Alternative hierzu wird die Temperatur des Stators berechnet, wofür zweckmäßigerweise ein Modell herangezogen wird. Zweckmäßigerweise wird ein Temperaturkoeffizient einer Wicklung des Stators herangezogen. Zur Berechnung wird zweckmäßigerweise der mittels der Statorwicklung geführte elektrische Motorstrom sowie die anliegenden elektrische Spannung verwendet, wobei der Temperaturkoeffizient der Statorwicklung berücksichtigt wird. Insbesondere wird hierfür sowohl der elektrische Motorstrom (Statorstrom) als auch die elektrische Motorspannung gemessen. Alternativ oder in Kombination hierzu wird ein Kühlverlust bestimmt. Mit anderen Worten wird bestimmt, wie viel Energie aufgrund von Kühlung in die Umgebung entweder des Umrichters und/oder des Elektromotors abgeführt wird. Anhand dieser wird die Temperatur des Stators berechnet. In einer weiteren Alternative wird die Frequenz der Betätigung eines etwaigen Halbleiterschalters des Umrichters ermittelt und anhand der Schaltverluste, insbesondere unter Berücksichtigung der geschaltenen elektrischen Spannung sowie des geschalteten elektrischen Stroms ein Schaltverlust berechnet. Dieser wird zweckmäßigerweise von einem etwaigen Kühlverlust abgezogen, da dieser lediglich zu einer Erwärmung des Umrichters und nicht zu einer Erwärmung des Elektromotors führt.
  • Zusammenfassend wird der Statorwiderstand als Parameter zur Bestimmung des Flussraumzeigers herangezogen. Vorzugsweise wird zur Flussraumzeigerbestimmung die Polpaarzahl des Elektromotors verwendet. Insbesondere wird mit Ausnahme der Polpaarzahl sowie des Statorwiderstands kein weiterer Parameter zur Ermittlung des Flussraumzeigers, und folglich zur Ermittlung der Drehzahl, herangezogen.
  • Beispielsweise wird als Flussraumzeiger ein Luftspaltflusszeiger herangezogen. Besonders bevorzugt jedoch wird als Flussraumzeiger ein Statorflussraumzeiger herangezogen, also der Statorfluss ermittelt und ausgewertet. Beispielsweise wird der Statorflussraumzeiger anhand
    Figure DE102015000986A1_0002
    ermittelt. Hierbei bezeichnet
    Figure DE102015000986A1_0003
    den Raumzeiger der elektrischen Motorspannung, R1 den Statorwiderstand, der entweder temperaturabhängig oder aber konstant gewählt ist, und l →1 den Raumzeiger des elektrischen Motorstroms also den Stromraumzeiger. Bei der Integralrechnung werden entweder geeignete Grenzen gesetzt, oder aber anderweitig ein Wegdriften des Integrals verhindert. Der Statorflussraumzeiger ist vergleichsweise einfach zu ermitteln, sodass vergleichsweise geringe Rechenkapazitäten zur Ermittlung der Drehzahl erforderlich sind. Ferner sind etwaige Fehler aufgrund vergleichsweise komplexer mathematischer Umformungen vermieden.
  • In einer Alternative hierzu wird als Flussraumzeiger ein Rotorflussraumzeiger herangezogen, was zu einer vergleichsweise präzisen Ermittlung der Drehzahl führt, also zu einem vergleichsweise geringen Fehler zwischen der ermittelten Drehzahl und der tatsächlichen Drehzahl des Elektromotors. Vorzugsweise wird der Rotorflussraumzeiger anhand der Formel
    Figure DE102015000986A1_0004
    ermittelt. Hierbei bezeichnet
    Figure DE102015000986A1_0005
    den Statorflussraumzeiger, L1 die Induktivität des Stators, und l →1 den Stromraumzeiger, also den Raumzeiger des elektrischen Motorstroms.
  • Beispielsweise ist die sichere Funktion sichere Richtung („Safe Direction”, SDI). Folglich wird der Elektromotor an einem Betrieb in eine ungewollte Drehrichtung gehindert. Alternativ ist die sichere Funktion „SSM” (Safe Speed Monitor). Folglich wird ein sicheres Ausgabesignal generiert, solange die Geschwindigkeit des Elektromotors unterhalb eines bestimmten, spezifischen Werts verbleibt. Alternativ ist die sichere Funktion „SSR” (Safe Speed Range). Folglich verbleibt die Geschwindigkeit des Elektromotors zwischen vordefinierten Grenzwerten. Besonders bevorzugt ist die sichere Funktion sichere begrenzte Geschwindigkeit („Safely-Limited Speed”, SLS). Folglich wird die Drehzahl des Elektromotors mittels der Ermittlung des Flussraumzeigers überwacht, wobei zweckmäßigerweise keine Messwerte eines sicheren Gebers herangezogen werden. Insbesondere wird bei der sicheren Funktion die Drehzahl mit einem Grenzwert verglichen. Geeigneterweise wird bei Überschreiten des Grenzwerts die Bestromung des Elektromotors verringert. Vorzugsweise wird in Abhängigkeit des Vergleichs eine zweite sichere Funktion ausgeführt. Mit anderen Worten wird bei der sicheren Funktion die Drehzahl mit dem Grenzwert verglichen, und in Abhängigkeit hiervon die zweite sichere Funktion ausgeführt. Beispielsweise wird die zweite sichere Funktion ausgeführt, wenn die Drehzahl kleiner als der Grenzwert ist. Alternativ wird bevorzugt die zweite sichere Funktion ausgeführt, falls die Drehzahl größer als der Grenzwert ist.
  • Vorzugsweise werden die Drehzahl und der Grenzwert vorzeichenlos gewählt. Mit anderen Worten werden lediglich Absolutwerte zum Vergleich herangezogen. Auf diese Weise ist die Sicherheitsüberwachung unabhängig von der Drehrichtung des Elektromotors, und auch eine etwaige, ungewollte Drehrichtungsumkehr des Elektromotors wird berücksichtigt. Alternativ werden die Drehzahl und der Grenzwert mit Vorzeichen gewählt.
  • Als zweite sichere Funktion wird zweckmäßigerweise sicherer Betriebshalt („Safe Operating Stop”; SOS) ausgeführt, also eine Veränderung der Position des Elektromotors unterbunden. Alternativ ist die zweite sichere Funktion sichere Bremsansteuerung („Safe Brake Control”; SBC), es wird also sicher eine externe Bremse oder Haltebremse angesteuert. Besonders bevorzugt wird als zweite sichere Funktion ein sicher abgeschaltetes Moment herangezogen („safe torque off”; STO). Hierbei wird zweckmäßigerweise die Bestromung des Elektromotors unterbrochen, sodass ein etwaiger Rotor austrudelt. Der Elektromotor wird vorzugsweise nicht mir Energie versorgt, mittels derer eine Rotationsbewegung erhalten oder erzeugt werden kann. Insbesondere entspricht die zweite sichere Funktion der Stopkategorie 0 der EN 60204-1. Hierbei werden zweckmäßigerweise sämtliche Impulse gelöscht, mittels derer etwaige Halbleiterschalter des Umrichters angesteuert werden. Mit anderen Worten ist der Elektromotor nach Aktivierung der sicheren Funktion drehmomentfrei. Zweckmäßigerweise ist der Elektromotor auch gegen einen etwaigen Wiederanlauf geschützt. Alternativ wird als zweite sichere Funktion sicherer Stopp herangezogen. Insbesondere ist die zweite sichere Funktion sicherer Stopp 1 („Safe Stop 1”; SS1) oder sicherer Stopp 2 („Safe Stop 2”; SS2). Mit anderen Worten wird der Elektromotor abgebremst und bei einem Stillstand oder nach einer bestimmten Zeitspanne momentenlos oder mit Moment stillgesetzt, also STO oder SOS ausgeführt. Zusammenfassend entspricht die zweite sichere Funktion der Stopkategorie 1 oder der Stopkategorie 2 der EN 60204-1.
  • Die Antriebseinheit weist einen Umrichter oder einen Elektromotor auf. Besonders bevorzugt umfasst die Antriebseinheit sowohl den Umrichter als auch den Elektromotor, der mittels des Umrichters betrieben ist. Insbesondere weist der Umrichter zumindest einen Halbleiterschalter zur Steuerung eines Energieflusses zu dem Elektromotor auf. Die Antriebseinheit umfasst ferner eine Kontrolleinheit, die der Sicherheitsüberwachung dient. Die Sicherheitsüberwachung ist eine sichere Funktion und insbesondere sichere begrenzte Geschwindigkeit („Safely-Limited Speed”, SLS). Mit anderen Worten wird mittels der Kontrolleinheit die sichere Funktion sichere begrenzte Geschwindigkeit ausgeführt.
  • Bei Betrieb wird zunächst ein Flussraumzeiger mit einem Winkel bestimmt. In einem weiteren Arbeitsschritt wird eine zeitliche Änderung des Winkels bestimmt. Die zeitliche Änderung des Winkels wird als Drehzahl herangezogen und als Eingabewert der sicheren Funktion herangezogen. Vorzugsweise wird hierbei die Drehzahl mit einem Grenzwert verglichen. Der Grenzwert ist geeigneterweise eine fest eingestellte Geschwindigkeits-/Drehzahlgrenze. Vorzugsweise wird in Abhängigkeit des Vergleichs eine zweite sichere Funktion ausgeführt, insbesondere sicher abgeschaltetes Moment. Beispielsweise wird die zweite sichere Funktion ausgeführt, wenn die Drehzahl kleiner als der Grenzwert ist. Bevorzugt jedoch wird die zweite sichere Funktion ausgeführt, falls die Drehzahl größer als der Grenzwert ist. Auf diese Weise ist die Ermittlung der Drehzahl vergleichsweise sicher, sodass die sichere Funktion stets dann und nur dann ausgeführt wird, wenn die tatsächliche Drehzahl des Elektromotors die vorgegebene Abhängigkeit bezüglich des Grenzwerts erfüllt.
  • Die Kontrolleinheit umfasst beispielsweise eine Anzahl an elektrischer und/oder elektronischer Bauteile, die dem Ausführen des Verfahrens dienen. Insbesondere weist die Kontrolleinheit einen programmierbaren Prozessor/Mikrochip auf, mittels dessen das Verfahren ausgeführt wird. Auf diese Weise ist eine Anpassung des Verfahrens auf unterschiedliche Anforderungen ermöglicht. Alternativ ist das Verfahren mittels einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (applicationspecific integrated circuit, ASIC) realisiert, was zu verringerten Ausführungszeiten führt.
  • Bevorzugt ist der Elektromotor frei von einem sicheren Drehzahlgeber. Mit anderen Worten weist der Elektromotor keinen sicheren Drehzahlgeber (Drehgeber) auf, ist also sicherer drehzahlgeberlos. Auf diese Weise sind die Herstellungskosten der Antriebseinheit verringert, wobei jedoch aufgrund der Kontrolleinheit dennoch eine vergleichsweise hohe Sicherheit gewährleistet ist. Unter sicherem Drehzahlgeber wird insbesondere jeder Drehzahl- und/oder Lagegeber verstanden, mittels dessen eine Sicherheitsüberwachung erfolgt, also in Abhängigkeit der mittels dessen direkt gemessener Drehzahl-/Lagewerte eine Ausführung einer sicheren Funktion erfolgt, und/oder dessen Messwerte mehrfach zur Erstellung des Drehzahl-/Lagewerts ausgewertet werden. Hierfür umfasst der sichere Drehzahlgeber eine Auswerteelektronik, die mehrkanalig aufgebaut ist.
  • Geeigneterweise ist der Elektromotor eine Synchronmaschine, was eine vergleichsweise präzise Bestimmung der Lage des Elektromotors ermöglicht sowie dessen Regelung erleichtert. Beispielsweise ist der Elektromotor ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Besonders bevorzugt ist der Elektromotor ein Servomotor, der insbesondere einen Drehzahlgeber zur Regelung aufweist. Dieser Drehzahlgeber ist z. B. kein sicherer Drehzahlgeber, und dient lediglich der Regelung der Drehzahl. Mit anderen Worten wird in Abhängigkeit der mittels dieses Drehzahlgebers erstellter Messwerte keine sichere Funktion ausgeführt. Zumindest jedoch weist dieser Drehzahlgeber bevorzugt lediglich eine einkanalige Auswertung auf, was die Kosten der Antriebseinheit verringert, insbesondere die Herstellungskosten einer Auswerteelektronik des Drehzahlgebers.
  • Vorzugsweise ist die Antriebseinheit Bestandteil einer Industrieanlage. Insbesondere weist der Umrichter eine maximale Leistungsabgabe und/oder der Elektromotor eine maximale Leistungsaufnahme zwischen 700 W und 500 kW auf. Zweckmäßigerweise ist die Leistungsabgabe/Leistungsaufnahme größer oder gleich 1 kW, 5 kW, 10 kW, 50 kW, 100 kW oder 200 kW. Zum Beispiel ist die Leistungsabgabe/Leistungsaufnahme kleiner oder gleich 400 kW, 250 kW, 100 kW, 50 kW, 15 kW oder 2 kW.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 schematisch einen mittels eines Umrichters betriebenen Elektromotor,
  • 2 einen Flussraumzeiger mit einem Winkel, und
  • 3 ein Verfahren zur Sicherheitsüberwachung des mittels des Umrichters betriebenen Elektromotors.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine Antriebseinheit 2 einer Industrieanlage, mit einem Elektromotor 4 und einem Umrichter 6 dargestellt, wobei der Elektromotor 4 mittels des Umrichters 6 betrieben ist. Der Elektromotor 4 ist frei von einem sicheren Drehzahlgeber und dreiphasig ausgestaltet. Mit anderen Worten ist der Umrichter 6 mittels einer B6-Schaltung mit drei Brückenzweigen 8 realisiert, von denen jeder jeweils mittels einer Leitung 10 gegen eine der Phasen eines Stators des Elektromotors 4 geführt ist. Hierbei ist die Leitung 10 zwischen jeweils zwei zueinander in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern 12 jedes der Brückenzweigen 8 mit dem jeweiligen Brückenzweig 8 elektrisch kontaktiert.
  • Die Brückenzweigen 8 selbst sind zueinander parallel zwischen einen positiven Pol 14 und einen negativen Pol 16 des Umrichters 6 geschaltet. Zwischen dem positiven Pol 14 und einen negativen Pol 16 liegt eine im Wesentlichen konstante elektrische Zwischenkreisspannung UZ in Höhe von 1200 V an, was mittels eines Zwischenkreiskondensators 18 sichergestellt ist, der parallel zu den einzelnen Brückenzweigen 8 geschalten ist.
  • Die Halbleiterschalter 12 sind IGBTs, die vorzugsweise eine Freilaufdiode aufweisen. Jeder der Halbleiterschalter 12 ist signaltechnisch mit einer Steuereinheit 20 gekoppelt, wobei das Gate des jeweiligen Halbleiterschalters 12 elektrisch mit der Steuereinheit 20 kontaktiert ist. In 1 sind lediglich zwei derartige Signalleitungen gezeigt. Mit der Steuereinheit 20 sind ferner drei Stromsensoren 22 signaltechnisch gekoppelt, von denen jeder einer der Leitungen 10 zugeordnet ist. Mittels der Stromsensoren 22 wird bei Betrieb jeweils ein elektrischer Strom I erfasst und mittels der Steuereinheit 22 ein Stromraumzeiger l →1 berechnet. In Abhängigkeit einer externen Vorgabe werden mittels der Steuereinheit 20 die Halbleiterschalter 12 mit PWM-Signalen beaufschlagt und folglich von einem leitenden in einen nichtleitenden Zustand und umgekehrt versetzt. Infolgedessen wird ein Energiefluss von dem Umrichter 6 zu dem als permanenterregte Synchronmaschine ausgestalteten Elektromotor 4 gesteuert, und der Energiefluss mittels der Stromsensoren 22 überwacht. Anhand des jeweiligen erfassten elektrischer Stroms I oder des Statorstromzeigers l →1 werden die PWM-Signale angepasst, sodass eine vergleichsweise genaue Regelung des Elektromotors 4 realisiert ist.
  • Die Steuereinheit 20 umfasst ferner eine Kontrolleinheit 24, mittels derer eine Sicherheitsüberwachung erfolgt. Hierfür wird ein in 3 dargestelltes Verfahren 26 ausgeführt. In einem ersten Arbeitsschritt 28 wird eine sichere Funktion SLS gestartet, die sichere begrenzte Geschwindigkeit ist. Der erste Arbeitsschritt 28 wird ausgeführt, sobald eine Wartungsarbeit an dem Elektromotor 4 erfolgen soll, die bei einem vollständigen Stillstand des Elektromotors 4 nicht in befriedigender Weise erfolgen kann. So kann beispielsweise ein mittels des Elektromotors 4 angetriebenes Werkzeug nicht korrekt konfiguriert werden, wenn nicht der vollständige Bewegungsraum abgefahren werden kann.
  • In einem zweiten Arbeitsschritt 30 wird mittels der Steuereinheit 20 der Statorstromzeiger l →1 und ein Spannungsraumzeigers
    Figure DE102015000986A1_0006
    ermittelt. Zur Ermittlung des Statorstromzeiger l →1 wird der mittels der Leitungen 10 geführte elektrische Strom I herangezogen, der mittels der Stromsensoren 22 gemessen wird. Zur Ermittlung des Spannungsraumzeigers
    Figure DE102015000986A1_0007
    wird zunächst eine elektrische Motorspannung U berechnet, die zwischen dem elektrischen Potential jeder der Leitungen 10 und einem konstanten Hilfspotential anliegt, beispielsweise Masse. Hierfür wird die Zwischenkreisspannung Uz sowie die Schaltzustände der einzelnen Halbleiterschalter 12 herangezogen, die mittels mit der Steuereinheit 20 generierter Pulse angesteuert werden. Da die Information der Schaltzustände der Halbleiterschalter 12 bereits vorhanden ist, und die Zwischenkreisspannung Uz mittels des Zwischenkreiskondensators 18 im Wesentlichen konstant ist, ist somit auch die jeweilige elektrische Motorspannung U berechenbar.
  • In einem dritten Arbeitsschritt 32, der im Wesentlichen zeitgleich zu dem zweiten Arbeitsschritt erfolgt, wird ein Statorwiderstand R1 berechnet, wofür zunächst eine Temperatur T des Stators des Elektromotors 4 bestimmt wird. Die Temperatur T wird entweder direkt mittels eines Temperatursensors gemessen, oder aber mittels eines mathematischen Models berechnet, wofür zunächst die Verlustleistung des Elektromotors 4 erfasst und diese als diejenige Energie herangezogen wird, mittels derer der Elektromotor 4 erwärmt wird. Unter Berücksichtigung einer Kühlung des Elektromotors 4 aufgrund einer Umgebungsluft oder einer speziellen Kühlkreislaufs ist somit die Temperatur T des Elektromotors 4 bestimmbar. Mittels dieser Temperatur wird unter Berücksichtigung der Temperaturkoeffizienten des Materials, mittels derer die Phasen der Elektromotors 4 realisiert sind, dessen Statorwiderstand R1 ermittelt.
  • In einem vierten Arbeitsschritt 34 wird ein in 2 gezeigter Flussraumzeiger Ψ → mit einem Winkel α ermittelt. Hierbei wird der Winkel gegenüber einem drehfesten Koordinatensystem 36 bestimmt. Der Flussraumzeiger Ψ → ist der Statorflussraumzeiger
    Figure DE102015000986A1_0008
    oder der Rotorflussraumzeiger
    Figure DE102015000986A1_0009
    wobei die Flussraumzeiger Ψ → gemäß
    Figure DE102015000986A1_0010
    ermittelt werden. L1 entspricht der Induktivität des Elektromotors 4. Hieran anschließend wird der zweite, dritte und vierte Arbeitsschritt 30, 32, 34 wiederholt, sodass der Winkel α zweimal bestimmt worden ist. Anschließend wird ein fünfter Arbeitsschritt 38 ausgeführt, bei dem die zeitliche Änderung des Winkels α bestimmt wird, also dα/dt berechnen wird. Hierfür wird die Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten herangezogen, zu denen der zweite und dritte Arbeitsschritt 30, 32 ausgeführt wird. Die zeitliche Änderung des Winkels α wird als Drehzahl n des Elektromotors 4 herangezogen, die somit einen Eingabewert der sicheren Funktion SLS darstellt. In einem sechsten Arbeitsschritt 40 wird die Drehzahl n mit einem Grenzwert 42 verglichen. Es wird ermittelt, ob die Drehzahl n größer als der Grenzwert 42 ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird erneut der zweite und dritte Arbeitsschritt 30, 32 ausgeführt sowie die Drehzahl n erneut ermittel als auch der sechste Arbeitsschritt 40 ausgeführt.
  • Falls die Drehzahl n größer als der Grenzwert 42 ist, wird ein siebter Arbeitsschritt 44 ausgeführt, bei dem eine zweite sichere Funktion STO ausgeführt wird, nämlich sicher abgeschaltetes Moment. Folglich werden sämtliche Impulse zur Ansteuerung der Halbleiterschalter 12 gelöscht und diese somit in einem elektrisch nichtleitenden Zustand versetzt. Folglich trudelt der Elektromotor 4 momentenlos aus, sodass eine Verletzung von Personen in der Umgebung des Elektromotors 4 ausgeschlossen ist. In einem achten Arbeitsschritt 46 wird der Elektromotor 4 gegen einen etwaigen Wiederanlauf geschützt und das Verfahren 26 beendet. Insbesondere wird die Aktivierung der zweiten sicheren Funktion STO mittels einer Anzeigeeinheit der Steuereinheit 20 signalisiert.
  • Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 2 Antriebseinheit
    • 4 Elektromotor
    • 6 Umrichter
    • 8 Brückenzweig
    • 10 Leitung
    • 12 Halbleiterschalter
    • 14 positiver Pol
    • 16 negativer Pol
    • 18 Zwischenkreiskondensator
    • 20 Steuereinheit
    • 22 Stromsensor
    • 24 Kontrolleinheit
    • 26 Verfahren
    • 28 erster Arbeitsschritt
    • 30 zweiter Arbeitsschritt
    • 32 dritter Arbeitsschritt
    • 34 vierter Arbeitsschritt
    • 36 Koordinatensystem
    • 38 fünfter Arbeitsschritt
    • 40 sechster Arbeitsschritt
    • 42 Grenzwert
    • 44 siebter Arbeitsschritt
    • 46 achter Arbeitsschritt
    • α Winkel
    • I elektrischer Strom
    • l →1 Stromraumzeiger
    • n Drehzahl
    • R1 Statorwiderstand
    • SLS sichere begrenzte Geschwindigkeit
    • STO zweite sichere Funktion
    • T Temperatur
    • Figure DE102015000986A1_0011
      Spannungsraumzeiger
    • U Motorspannung
    • UZ Zwischenkreisspannung
    • Ψ → Flussraumzeiger
    • Figure DE102015000986A1_0012
      Statorflussraumzeiger
    • Figure DE102015000986A1_0013
      Rotorflussraumzeiger
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • EN 60204-1 [0027]
    • EN 60204-1 [0027]

Claims (10)

  1. Verfahren (26) zur Sicherheitsüberwachung eines mittels eines Umrichters (6) betriebenen Elektromotors (4), bei dem – ein Flussraumzeiger (Ψ →) mit einem Winkel (α) bestimmt wird, – eine zeitliche Änderung des Winkels (α) bestimmt und als Drehzahl (n) herangezogen wird, und – wobei eine sichere Funktion (SLS) mit der Drehzahl (n) als Eingabewert ausgeführt wird.
  2. Verfahren (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Flussraumzeiger (Ψ →) mittels einer elektrischen Motorspannung (U) bestimmt wird.
  3. Verfahren (26) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Motorspannung (U) gemessen oder anhand einer Zwischenkreisspannung (UZ) ermittelt wird, insbesondere unter Heranziehung eines Zustands eines Halbleiterschalters (12) des Umrichters (6).
  4. Verfahren (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Flussraumzeigers (Ψ →) ein temperaturabhängiger Statorwiderstand (R1) herangezogen wird.
  5. Verfahren (26) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) des Stators gemessen oder berechnet wird, wofür insbesondere eine Verlustleistung bestimmt wird.
  6. Verfahren (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Flussraumzeiger (Ψ →) ein Statorflussraumzeiger
    Figure DE102015000986A1_0014
    oder ein Rotorflussraumzeiger
    Figure DE102015000986A1_0015
    herangezogen wird.
  7. Verfahren (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der sicheren Funktion (SLS) die Drehzahl (n) mit einem Grenzwert (42) verglichen wird, wobei insbesondere in Abhängigkeit des Vergleichs eine zweite sichere Funktion (STO) ausgeführt wird.
  8. Antriebseinheit (2) mit einem Umrichter (6), und/oder mit einem Elektromotor (4), sowie mit einer Kontrolleinheit (24) zur Sicherheitsüberwachung, die gemäß dem Verfahren (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 betrieben ist.
  9. Antriebseinheit (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) frei von einem sicheren Drehzahlgeber ist.
  10. Antriebseinheit (2) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) eine Synchronmaschine ist.
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EN 60204-1

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