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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überlastschutz eines EC-Motors.
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In elektrischen Antrieben und Motoren ist es nahezu unvermeidlich, dass im Motor Wärmeverluste auftreten, die zu einer Temperaturerhöhung führen. Für den Elektromotor gibt es demzufolge eine obere Grenztemperatur, und sobald diese überschritten wird, kann der Motor beschädigt werden oder ausfallen.
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Die Motorelektronik, die typischerweise aus einem Eingangskreis, einem Zwischenkreis, der Kommutierung und der Leistungsendstufe z. B. einem DC/AC-Wandler besteht, muss gemäß den Sicherheitsvorschriften und dem Regelwerk der Europäischen Norm EN 60335-1 so ausgeführt sein, dass die Sicherheit des Gerätes gewährleistet bleibt und eine Schutzeinrichtung bei Erreichen einer zu hohen Temperatur das Gerät oder die Einrichtung abschaltet. Dabei darf die Statortemperatur des Motors eine bestimmte Temperatur nicht überschreiten.
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Es kann infolge von Betriebsstörungen am Elektromotor selbst, aber zu einer unzulässig hohen Temperatur im Elektromotor kommen. Solche Fälle treten bei vorgesehenen hohen Belastungen der Maschine auf, wie bei Schwergängigkeiten oder z. B. bei Blockade der Mechanik. Auch verschmutzte Belüftungsgitter am Elektromotor können unerwünschte Temperaturerhöhungen nach sich ziehen. Überschreitet die Wicklung des Motors die zulässige Temperatur, nimmt der Elektromotor Schaden, was den Ausfall der gesamten Maschine nach sich ziehen kann und zu unsicheren Betriebszuständen führen kann, dann wenn z.B. ein Isolierstoff versagt. Zum Schutz des Elektromotors vor Überhitzung ist deshalb die Kenntnis der Wicklungstemperatur notwendig.
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Es werden derzeit Lösungen im Stand der Technik vorgesehen, welche z. B. die Messung der Wicklungstemperatur vorsehen und eine Abschaltvorrichtung aufweisen, die bei Überschreiten der Grenztemperatur auslöst. Eine andere bekannte Herangehensweise sieht vor, dass der Wicklungsstrom in Abhängigkeit der Motordrehzahl begrenzt wird. Die Temperaturerhöhung von Wicklungen bei Motoren wird durch den Motoraufbau deren Wicklungsimpedanz und den Wicklungsstrom bestimmt.
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Aus der Offenlegungsschrift
WO 93/23904 A1 ist z. B. ein Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors im Hinblick auf eine thermische Überlastung bekannt. Dazu wird während der Einschaltdauer des Elektromotors dessen Verlustleistung oder eine hierzu proportionale Größe anhand gemessener Motordaten berechnet und anschließend integriert. Der Integrationswert wird mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen, übersteigt der Integrationswert einen Schwellwertgrenzwert, wird der Elektromotor abgeschaltet. Nach diesem bekannten Verfahren bleiben Umgebungseinflüsse, die für das Temperaturverhalten des Elektromotors mitverantwortlich sind, unberücksichtigt.
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Bei anderen bekannten Verfahren, die versuchen ohne einen Temperaturfühler auszukommen, wird der vom Elektromotor gezogene Strom überwacht. Überschreitet der Motorstrom über einen längeren Zeitraum hinweg den zulässigen Dauerstrom, erfolgt die Abschaltung des Motors über Motorschutzschalter oder bei drehzahlregelbaren Drehstrommotoren über den Frequenzumrichter.
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Weitere bekannte Verfahren zum Schutz eines Elektromotors gegen Überhitzung sehen eine Temperaturmessung mittels eines Temperatursensors vor, der vornehmlich in die Motorwicklung eingebaut wird. So werden bei bekannten Ausführungsformen von Motoren mit umpressten Statoren z. B. Thermoschalter vor dem Umpressvorgang in die Wicklung eingesetzt und die Anschlusslitzen mit einer Leiterplatte verbunden. Erreicht die auf diese Weise ermittelte Temperatur im Nahbereich der Motorwicklung einen vorgegebenen, höchstzulässigen Grenzwert, wird auch hierbei die Abschaltung des Elektromotors veranlasst. Ein derartiges Verfahren ist aus der Offenlegungsschrift
DE 199 39 997 A1 bekannt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren haben eine Reihe von Nachteilen, aus denen sich in der Praxis Probleme ergeben. Bei Verwendung eines Temperatursensors ist zur elektrischen Isolierung zwischen diesem und der Wicklung eine ausreichende Isolierschicht erforderlich. Diese Isolierschicht stellt zugleich eine thermische Isolierung dar, weswegen sich insbesondere bei Überlast mit hohen Strömen eine Temperaturdifferenz zwischen dem elektrisch aktiven Teil der Wicklung selbst und dem Temperatursensor ergibt. Eine verzögerte Abschaltung des Elektromotors bei bereits vorliegender Überhitzung der Motorwicklung ist die Folge. Dieser Effekt wird durch erhöhte Anforderungen an die elektrische Isolierung für den Personenschutz noch verstärkt. Über einen in die Wicklung eingebauten Temperatursensor wird überdies die Temperatur nur an einer einzigen Stelle der Wicklung erfasst.
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Bei einer Stromüberwachung lediglich des Motorstroms gibt auch das weitere Problem, dass abhängig von der Motorspannung aufgrund zulässiger Referenzwerte die Motorerwärmung nicht optimal überwacht werden kann, da sich bei einer konstanten Referenz eine nicht konstante Abschalttemperatur je nach Arbeitspunkt und Ansteuergrad des Motors ergeben.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Schaltungsanordnung sowie eine Verfahren zum drehzahlunabhängigen Schutz eines Elektromotors bereitzustellen, die kostengünstig und zuverlässig realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, neben dem Motorstrom gleichzeitig die weiteren maßgeblichen Faktoren kumulativ zum Motorstrom mittels einer entsprechend erfindungsgemäß konzipierten Schaltungsanordnung zu erfassen, um daraus eine Abschaltbedingung zu erhalten. Maßgeblich für die Statorerwärmung sind neben dem Motorstrom auch die Motorspannung (Motorphasenspannung) und die Zwischenkreisspannung.
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Erfindungsgemäß ist daher eine Schaltungsanordnung zum Überlastschutz eines EC-Motors vorgesehen, der ausgebildet ist von einer an einem Zwischenkreis mit einer Zwischenkreisspannung UZK betriebenen Kommutierungselektronik über eine Endstufe angesteuert zu werden, wobei die Schaltungsanordnung folgendes umfasst:
- a. eine Signalverarbeitungseinrichtung, die ausgebildet ist, zum Verarbeiten eines erfassten Signals „SEND“ repräsentierend den Endstufenstrom IEND der Endstufe, einer jeweils aktuellen Motorphasenspannung des EC-Motors und der aktuellen Zwischenkreisspannung UZK, wobei
- b. die Signalverarbeitungseinrichtung einen Komparator aufweist, der ausgebildet ist das zum Endstufenstrom IEND korrespondierende Signal mit einem Referenzsignal „SREF“ zu vergleichen;
- c. eine Abschaltvorrichtung, die ausgebildet ist, abhängig von einer Abschaltbedingung, die wenigstens das Vergleichsergebnis des Komparators umfasst, die Stromversorgung zum EC-Motor zu unterbrechen.
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Die Höhe des Endstufenstroms und demnach das erfasste Signal „SEND“ repräsentierend den Endstufenstrom ist ein wesentlicher Indikator für die thermische Überlastung des Motors. Da der Referenzwert eine Obergrenze für den jeweils aktuell maximal zulässigen Motorstrom ist, stellt der Referenzwert einen dynamischen Referenzwert dar, der sich korrespondierend zu den Größen Motorphasenspannung und Zwischenkreisspannung ändert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Signalverarbeitungseinrichtung einen Signaleingang für die Messgrößen: Motorphasenspannung, Endstufenstrom IEND, Zwischenkreisspannung UZK und ein Offset-Wert (als Hilfsgröße) aufweist. Eingangsseitig kann die Signalverarbeitungseinrichtung einen Filter zum Aufbereiten bzw. Filtern der Daten aufweisen und insbesondere, um daraus einen Referenzwert zu bestimmen.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn ein Tiefpassfilter wenigstens die Messgröße des Endstufenstroms vor einer Übertragung des daraus gewonnenen Signals an den Komparator filtert.
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Weiter von Vorteil ist eine Ausgestaltung bei der nachgeschaltet zum Komparator ein Integrator vorgesehen ist, der ausgebildet ist, bei Erkennen einer Abschaltbedingung die Abschaltung zu verzögern, solange bis vom Komparator eine vorbestimmte Anzahl von Abschaltanweisungen innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls erhalten werden. Der Integrator hat damit die Eigenschaft, dass die Abschaltung nicht sofort eintritt, wenn das Signal für den Endstufenstrom „SEND“ den Referenzwert „SREF“ überschreitet, sondern erst nach einer Reihe von solchen Abschaltsignalen. Weiter hat die Erwärmung im Stator ein sich einschwingendes Verhalten und steigt nicht spontan an. Durch den Integrator werden zudem Einflüsse durch EMV reduziert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Signalausgang der Signalverarbeitungseinrichtung bereitgestellt wird, um ein Abschaltsignal über eine Signalleitung zur Endstufe zu übertragen.
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Weiter von Vorteil ist es, wenn die Abschaltvorrichtung zwischen der Kommutierungselektronik und der Endstufe oder zwischen der Endstufe und dem EC-Motor angeordnet ist, so dass der Motor von seiner Energieversorgung getrennt wird, bevor eine unzulässige Überhitzung des Stators entstanden ist ohne dass es einem Temperatursensor bedarf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Messvorrichtung zum Erfassen des Endstufenstroms der Endstufe vorgesehen ist, die einen Signalausgang für das Meßsignal zur Übertragung an die Signalverarbeitungseinrichtung aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anwendung zum Überlastschutz eines EC-Motors, insbesondere mittels einer wie zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung. Allerdings ist es denkbar, dass der konkrete Aufbau der Schaltungsanordnung von der beschriebenen Anordnung auch bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens abweicht.
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Die Anwendung weist hierzu die folgenden Schritte auf:
- a) Erfassen des Endstufenstroms IEND der Endstufe, einer Motorphasenspannung des EC-Motors und der Zwischenkreisspannung UZK,
- b) Zuführen der im zuvor genannten Schritt a) erfassten Messgrößen an eine dazu ausgebildete Signalverarbeitungseinrichtung;
- c) Bestimmen eines dynamischen Referenzsignals aus wenigstens einem der beiden Messgrößen: aktuelle Motorphasenspannung des EC-Motors und/oder aktuelle Zwischenkreisspannung UZK;
- d) Kontinuierliches oder diskontinuierliches Vergleichen derjenigen Signale, die korrespondierend zum jeweils aktuellen Endstufenstrom IEND aus Schritt a) sind, mit dem gerade aktuell bestimmten Referenzsignal mittels des Komparators und Ermitteln daraus, ob eine Abschaltbedingung wegen zu hoher Motortemperatur vorliegt und optional
- e) Erzeugen eines Abschaltsignals für die Abschaltvorrichtung, zur Unterbrechung der Stromversorgung zum EC-Motor, wenn eine Abschaltbedingung gegeben ist.
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Weiter vorteilhaft ist das Verfahren ausgebildet, wenn ein Integrator verwendet wird, der erst nach Empfang einer vorbestimmte Anzahl von Abschaltanweisungen ein Abschaltsignal an die Abschaltvorrichtung weiterleitet und erst dann eine Abschaltung erfolgt.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn in Schritt b) zusätzlich ein Offset in Form einer konstanten Referenzspannung als Hilfsgröße an die Signalverarbeitungseinrichtung, vorzugsweise an deren Eingangsfilter übermittelt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt c) zum Erzeugen bzw. Bestimmen eines dynamischen Referenzsignals „SREF“ wenigstens die folgenden Messgrößen verarbeitet und verwendet werden: aktuelle Zwischenkreisspannung UZK, Aussteuergrad des EC-Motors und ein Offsetsignal.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 2 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitungseinrichtung zur Realsierung des Überlastschutzes.
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die 1 und 2 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
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Die 1 zweigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Schaltungsanordnung 1 zum Überlastschutz eines EC-Motors 2. Der EC-Motor 2 ist an einem herkömmlichen Zwischenkreis 3 mit einer Zwischenkreisspannung UZK betriebenen Kommutierungselektronik 4 über eine Endstufe 5 verbunden, um durch die Kommutierungselektronik 4 angesteuert zu werden.
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Die Schaltungsanordnung 1 umfasst zur Realisierung des Überlastschutzes die Signalverarbeitungseinrichtung 10, die ausgebildet ist, zum Verarbeiten eines erfassten Signals SEND repräsentierend den Endstufenstrom IEND der Endstufe 5, einer jeweils aktuellen Motorphasenspannung des EC-Motors 2 und ferner der aktuellen Zwischenkreisspannung UZK.
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Wie in der 2 zu erkennen ist, weist die Signalverarbeitungseinrichtung 10 einen Filter TP, einen Komparator 20, einen Integrator 30, ein Modul 40 zur Selbsterhaltung und einen Signalausgang 10A auf.
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Der Komparator 10 ist ausgebildet das vom Filter TP zum Endstufenstrom IEND korrespondierende Signal SEND mit einem Referenzsignal SREF zu vergleichen, wie dies im Blockschaltbild dargestellt ist. Der Referenzwert bzw. das dynamische Referenzsignal SREF ist hierzu aus den in der 2 dargestellten Eingangsgrößen aufbereitet.
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In der 1 sind zwei beispielhafte Abschaltvorrichtungen 3, 6 gezeigt, die jeweils ausgebildet sind, abhängig von einer Abschaltbedingung, die Stromversorgung zum EC-Motor 2 entweder vor bzw. hinter der Endstufe 5 zu unterbrechen. Der Endstufenstrom IEND wird mit der Meßeinrichtung 8 erfasst.
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Ferner ist in der 2 zu erkennen, dass der Signalverarbeitungseinrichtung 10 am Signaleingang 10E die Messgrößen: Motorphasenspannung, Endstufenstrom IEND, Zwischenkreisspannung UZK und ein Offset-Wert zugeführt werden.
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Der Signalausgang 10A der Signalverarbeitungseinrichtung 10 kann ein Abschaltsignal über die Signalleitung 11 zur Endstufe 5 übertragen.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Abwandlung denkbar, welche z. B. eine weitere Signalaufbereitung vorsieht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 93/23904 A1 [0006]
- DE 19939997 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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