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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Antriebssteuereinrichtung für
einen selbstgeführten
Stromrichter gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Beim Einsatz von elektrischen Antrieben
in der industriellen Automatisierungstechnik, z.B. bei numerisch
gesteuerten Werkzeugmaschinen und Robotern, wird ein möglichst
hoher Schutz von Mensch und Maschine angestrebt. Mit einer Funktion "Sicherer Halt" für den Motor
soll gewährleistet
werden, dass auch im Ein-Fehler-Fall die elektrische Maschine bzw.
der Motor keine gefahrbringenden Bewegungen ausführen kann. Diese Funktion wird
in der Regel betriebsmäßig angewählt, z.B.
vor dem Öffnen einer
Schutztür.
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Für
die Funktion "Sicherer
Halt" ist bei einer Realisierung
in sicherer Technik eine zweifache Energieabschaltung und damit
Trennung zum Motor erforderlich. Es wird dabei allgemein akzeptiert,
die unteren und/oder die oberen Stromrichterventile eines selbstgeführten Stromrichters
mit Brückenschaltung getrennt
abzuschalten.
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Eine bekannte Möglichkeit für die Realisierung der Funktion "Sicherer Halt" besteht darin, die Ansteuersignale
für die
Stromrichterventile "sicher" zu sperren, was
der Fachmann mit dem Begriff "Impulssperre" bezeichnet, oder
aber alle Stromrichterventile abzuschalten.
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Mit dem Ausdruck "sicher" soll dabei zum Ausdruck gebracht werden,
dass die jeweiligen Anforderungen im Sinne der Berufsgenossenschaften und
berufsgenossenschaftlichen Institute für Arbeitssicherheit erfüllt werden.
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Eine gattungsgemäße Antriebssteuereinrichtung
ist aus dem deutschen Patent 100 59 173 bekannt. In der 1 ist diese gattungsgemäße Antriebssteuereinrichtung
näher dargestellt.
Diese Antriebssteuereinrichtung für einen selbstgeführten Stromrichter
W weist für
die Stromrichterventile T1, T3, T5 bzw. T2, T4, T6 pro Brückenhälfte eine
Ansteuerschaltung auf, von denen nur die Optokoppler OK1, OK3, OK5
bzw. OK2, OK4, OK6 veranschaulicht sind. Jede Fotodiode dieser Optokoppler
Ok1, OK3, OK5 bzw. OK2, OK4, OK6 ist anodenseitig mit einer Versorgungsspannung
SV1 bzw. SV2 verbunden und kathodenseitig über einen Widerstand RS1, RS3,
RS5 bzw. R52, RS4, RS6 und einer nachgeschalteten in Flussrichtung
gepolten Diode DS1, DS3, DS5 bzw. DS2, DS4, DS6 mit einer Impulssperrsteuerung
I1 bzw. I2 elektrisch leitend verbunden. Die Versorgungsspannung
SV1 bzw. SV2 steht am Ausgang eines Impulssperrpfades IP1 bzw. IP2 an.
Die Impulssperrpfade IP1 und IP2 weisen jeweils einen Schalter S1
und S2 auf, die jeweils signaltechnisch mit der korrespondierenden
Impulssperrsteuerung I1 bzw. I2 verbunden sind. Ausgangsseitig ist der
Impulssperrpfad IP1 bzw. IP2 mittels einer Diagnoseleitung, in der
eine Entkopplungsdiode eingebunden ist, signaltechnisch mit der
korrespondierenden Impulssperrsteuerung I1 bzw. I2 verbunden. Hiermit
steht an jeder Impulssperrsteuerung ein Diagnose-Signal SV1_Diag
bzw. SV2_Diag an.
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Die Funktion "Sicherer Halt" wird durch eine Impulssperre realisiert,
indem betriebsmäßig oder
im Fehlerfall die Stromrichterventile T1 bis T6 des Wechselrichters
W abgeschaltet werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch Unterbrechen
der aus einer externen Spannung SV abgeleiteten Versorgungsspannung
SV1 für
die Optokoppler OK1, OK3 und OK5 für den oberen Brückenzweig
von Stromrichterventilen über
einen Schalter S1 (mechanischer oder auch elektronischer Bauart)
mit dem Signal IL1 durch die Impulssperrsteuerung I1 und einer weiteren
Versorgungsspannung SV2 für
die Optokoppler OK2, OK4 und OK6 für den unteren Brückenzweig über einen Schalter
S2 (mechanischer oder auch elektronischer Bauart) mit dem Signal
IL2 durch die Impulssperrsteuerung I2 sowie durch Impulssperre im
Steuersatz ST.
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Die Funktion der beiden Impulssperrpfade IP1
und IP2 mit den Schaltern S1 und S2 kann zyklisch überprüft und damit
zwangsdynamisiert werden, z.B. nach jedem Einschalten der Versorgungsspannung.
Dazu wird nach Betätigen
der Schalter S1 und S2 die Versorgungsspannung SV1 über das
jeweils hinter dem Schalter S1 und S2 abgegriffenes Signal SV1 Diag
und für
die Versorgungsspannung SV2 über
das Signal SV2 Diag in der Impulssteuerung I1 zurückgelesen.
D.h., bei Ausfall einer Impulssteuerung I1 oder I2 kann immer noch
die funktionsfähige
andere Impulssperrsteuerung I2 oder I1 reagieren, da auch sogenannte
schlafende Fehler durch die Zwangsdynamisierung aufgedeckt werden.
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Abschaltpfade müssen auf Fehler getestet werden,
da die Ausfallwahrscheinlichkeit der beteiligten Bauelemente nicht
Null ist. Für
die Funktion "Sicherer
Halt" werden zwei
redundante Abschaltpfade verlangt, die in vorgeschriebenen Testintervallen
von beispielsweise 8 Stunden überprüft werden.
Dadurch wird eine geforderte Ein-Fehler-Sicherheit erreicht. Für die Überprüfung wird
der Betrieb unterbrochen. Aus diesem Grund besteht zur Zeit nicht
der Bedarf an wesentlich häufigeren
Tests der Abschaltpfade. Wünschenswert
wäre eine
beliebige Überprüfung ohne
Betriebsunterbrechung.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe
zugrunde, die Impulssperrpfade der bekannten Antriebssteuereinrichtung
derart weiter zu bilden, dass während
des Betriebes die Impulssperrpfade überprüft werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem
kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass eine Vorrichtung zur
kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung der Ansteuerschaltung
vor gesehen ist, die in jedem Impulssperrpfad dem Schalter nachgeschaltet
ist, besteht nun die Möglichkeit
zu beliebigen Zeitpunkten die Impulssperrpfade zu überprüfen, wobei
der Betrieb nicht unterbrochen werden muss. Die Vorrichtung zur
Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung ist derart dimensioniert,
dass für
den Zeitraum der Überprüfung die
Versorgungsspannung nicht mehr wesentlich absinken darf. Da diese Überprüfung ohne
eine Betriebsunterbrechung stattfindet, kann man diese Überprüfung uneingeschränkt durchführen.
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In den Unteransprüchen 2 und 3 sind
zwei Ausführungsformen
einer Vorrichtung zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung beansprucht.
Beiden Ausführungsformen
gemeinsam ist ein Stützkondensator,
dessen Kondensatorwert für
die Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung verantwortlich ist.
Mit der Ausführungsform nach
Anspruch 3 kann neben der Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung
auch noch ein Kurzschluss im Impulssperrpfad aufgedeckt werden, ohne
das der Betrieb unterbrochen werden muss.
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Bei einer bekannten Antriebssteuereinrichtung
mit zwei Impulssperrpfaden werden zwei Vorrichtungen zur kurzzeitigen
Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung benötigt. Weist jedoch eine Antriebssteuereinrichtung
nur einen Impulssperrpfad auf, so sind in diesem Pfad zwei Schalter
elektrisch in Reihe geschaltet. Da nur ein Impulssperrpfad vorhanden
ist, wird auch nur eine Vorrichtung zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung
einer Versorgungsspannung benötigt.
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Bei jeweils einer vorteilhaften Ausführungsform
der beiden Ausführungsformen
der Vorrichtung gemäß Anspruch
2 bzw. 3 ist elektrisch parallel zum Stützkondensator ein Lastwiderstand
geschaltet. Durch diesen Lastwiderstand wird die Vorrichtung unabhängig vom
Laststrom durch die Optokoppler der beiden Ansteuerschaltungen der
Antriebssteuereinrichtung. Zusätzlich
bewirkt der Lastwiderstand, dass bei einer stationären Ab schaltung
der Antriebssteuereinrichtung der Stützkondensator möglichst schnell
entladen werden kann.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf
die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung schematisch
veranschaulicht sind.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer bekannten Antriebssteuereinrichtung mit
der Funktion "Sicherer
Halt", die
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eines Impulssperrpfades, die
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eines Impulssperrpfades und in der
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4 ist
eine weitere Ausführungsform
der Ausführungsform
nach 3 näher dargestellt.
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Bei den Blockschaltbildern gemäß den 2 bis 4 sind gegenüber dem Blockschaltbild gemäß 1 wegen der Übersichtlichkeit
auf die Darstellung des selbstgeführten Stromrichters W mit Motor M
verzichtet worden. Ebenso weisen gleiche Elemente in den 1 bis 4 dieselben Bezugszeichen auf.
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In der 2 ist
eine erste Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung A
näher dargestellt.
Diese Antriebssteuereinrichtung A unterscheidet sich von einer bekannten
Antriebssteuereinrichtung A dadurch, dass im Impulssperrpfad IP
eine Vorrichtung VA zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung
SV12 zweier Ansteuerschaltungen angeordnet ist. Gegenüber der
Ausführungsform
gemäß 1 weist diese Antriebssteuereinrichtung
A nur einen Impulssperrpfad IP auf, in dem zwei Schalter S1 und
S2 eingebracht sind, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jeder
Schalter S1 und S2 wird mittels eines Steuersignals IL1 und IL2
von zwei Impulssperrsteuerungen I1 und I2 (nicht näher dargestellt)
geöffnet.
Am Ausgang des Schalters S2 steht eine aus einer externen Spannung
SV abgeleitete Versorgungsspan nung SV12 an. Diese Spannung SV12
wird mittels der im Impulssperrpfad IP nachgeschalteten Vorrichtung
VA für
kurzzeitige Aufrechterhaltung gepuffert. Diese gepufferte Versorgungsspannung
SV12' dient als
Versorgungsspannung der beiden Ansteuerschaltungen für die Stromrichterventile
T1 bis T6 des selbstgeführten
Stromrichters W.
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Bei dieser Darstellung der Vorrichtung
VA handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform. Zunächst umfasst
diese Vorrichtung VA einen Stützkondensator
C, der gegen Erde geschaltet ist. Dieser Stützkondensator C ist mittels
einer Entkopplungsdiode D von den reihengeschalteten Schaltern S1
und S2 entkoppelt, so dass sich dieser Stützkondensator C in geordneten
Zustand, d.h. Impulsfreigabe, nicht entladen kann. Diese Schaltungsanordnung wird
zusätzlich
mit einem Lastwiderstand R versehen, der elektrisch parallel zum
Stützkondensator
C geschaltet ist. Mit diesen Lastwiderstand R wird die Vorrichtung
VA zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung der gepufferten Versorgungsspannung
SV12' unabhängig vom
Laststrom durch die Optokoppler OK1 bis OK6. Außerdem kann bei einer stationären Abschaltung
der Stützkondensator
C umgehend entladen werden.
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Im ordnungsgemäßen Zustand des Impulssperrpfades
IP sind die beiden Schalter S1 und 52 geschlossen. Dadurch lädt sich
der Stützkondensator
C auf und am Ausgang der Vorrichtung VA steht eine gepufferte Versorgungsspannung
SV12' an. Der Kondensatorwert
des Stützkondensators
C ist derart bemessen, dass für
die Zeit der Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung die
Versorgungsspannung SV12' nicht
nennenswert einbricht. In Abhängigkeit
der Steuersignale IL1 und IL2 der Impulssperrsteuerung I1 und I2
kann der Schalter S1 und S2 kurzzeitig geöffnet werden. Nachdem einer
der beiden Schalter S1 oder S2 geöffnet worden ist, wird mittels
des Diagnosesignals SV12_Diag, dass am Eingang der Vorrichtung VA
abgegriffen wird, die Funktionsfähigkeit
des geöffneten
Schalters S1 oder S2 überprüft. Ist
dieses Diagnosesignal SV12 Diag nach dem Öffnen eines Schalters S1 bzw.
S2 Null, so ist der geöffnete
Schalter S1 bzw. S2 funktionstüchtig.
Das gleiche wird mit dem zweiten Schalter S2 bzw. S1 durchgeführt.
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Unabhängig von der Spannung am Eingang der
Vorrichtung VA ist die Versorgungsspannung SV12' am Ausgang der Vorrichtung VA auf einen
vorbestimmten Wert gepuffert. Durch diese Pufferung der Versorgungsspannung
SV12', können die
Schalter S1 und S2 beispielsweise fortlaufend ohne eine Beriebsunterbrechung
getestet werden.
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In der 3 ist
eine zweite Ausführungsform der
Vorrichtung VA des Impulssperrpfades IP veranschaulicht. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 2 dadurch, dass anstelle
der Entkopplungsdiode D eine Speicherdrossel L vorgesehen ist. Außerdem ist
eingangsseitig gegen Erde eine Freilaufdiode DF vorgesehen. Auch
bei dieser Ausführungsform
ist elektrisch parallel zum Stützkondensator
C ein Lastwiderstand R geschaltet. Somit handelt es sich bei dieser zweiten
Ausführungsform
der Vorrichtung VA ebenfalls um eine vorteilhafte Ausführungsform.
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Im geordneten Zustand (Impulsfreigabe) sind
die beiden Schalter S1 und S2 geschlossen. Der Stützkondensator
C ist aufgeladen, so dass am Ausgang der Vorrichtung VA eine gepufferte
Versorgungsspannung SV12' vorbestimmten
Betrages ansteht. In Abhängigkeit
der Impulssperrsteuerung I1 und I2 wird ein Schalter S1 oder S2
geöffnet.
Mit dem Öffnen
eines der beiden Schalter S1 und S2 des Impulssperrpfades IP kommutiert
der Strom durch die Speicherdrossel L auf die Freilaufdiode DF.
Dadurch sinkt der Wert der Eingangsspannung U1 auf eine negative
Diodendurchlassspannung. Dieser Wert wird mittels des Diagnosesignals
SV12_Diag der korrespondierenden Impulssperrsteuerung I1 oder I2 zugeführt. Wenn
jedes Mal diese Eingangsspannung U1 auf den angegebenen Wert absinkt,
sind die Schalter S1 und S2 funktionstüchtig. Bleibt der Wert der
Eingangsspannung U1 der Vorrichtung VA auf den Wert der externen Spannung
SV, so steht ein Kurzschluss am zu prüfenden Schalter S1 oder S2 an.
Diese Überprüfung der
Schalter S1 und S2 wird ohne Betriebsunterbrechung durchgeführt.
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In der 4 ist
ebenfalls eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung
näher dargestellt.
Gegenüber
der Ausführungsform
nach 3 weist diese Antriebssteuereinrichtung
zwei Impulssperrpfade IP1 und IP2 auf. In jedem Impulssperrpfad
IP1 und IP2 ist eine Vorrichtung VA zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung
der Versorgungsspannung SV1 und SV2 angeordnet. Diese Vorrichtung
VA entspricht der Vorrichtung VA nach 3.
Durch die Verwendung von zwei Impulssperrpfaden IP1 und IP2 können die
Impulse entweder für die
Stromrichterventile T1, T3, T5 oder für die Stromrichterventile T2,
T4, T6 oder für
alle Stromrichterventile T1 bis T6 des selbstgeführten Stromrichters W gesperrt
werden. Ansonsten verläuft
die Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung wie bei der Ausführungsform
gemäß 3.
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Durch die Verwendung einer Speicherdrossel
L in den Ausführungsformen
gemäß 3 und 4 kann jeweils ein Kurzschluss zwischen
der externen Spannung SV und der gepufferten Versorgungsspannung
SV12' bzw. der gepufferten
Versorgungsspannung SV1' bzw.
SV2' ohne Betriebsunterbrechung aufgedeckt
werden. Tritt im Impulssperrpfad ein Kurzschluss KS auf, der beispielsweise
in der Ausführungsform
nach 3 eingetragen ist,
fließt
kein Strom durch diese Speicherdrossel L. Nach Öffnen der Schalter S1 und S2
erfolgt keine Kummutierung des Stromes, so dass der Wert der Spannung
SV12 auf den Wert der externen Spannung SV bleibt.