DE3318909C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fehlererfassungsein­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit einer Sperrschaltung zur Betriebsunterbrechung einer Motor­ regelungsschaltung.

Eine Fehlererfassungseinrichtung dieser Art ist aus der US-PS 39 14 675 bekannt. Diese bekannte Fehlererfassungsein­ richtung ist zur Überwachung einer Motorregelungsschaltung vorgesehen, mit der die einem Elektromotor von einer Strom­ quelle über ein Hauptschütz zugeführte Leistung mittels einer Halbleiterschalteinrichtung geregelt wird, die die Gleichspannung der Stromquelle in eine Impulsspannung umsetzt, deren Tastverhältnis der gewünschten Leistung entspricht. Um zu erreichen, daß die Halbleiterschaltein­ richtung bei hohen Dauerleistungen thermisch nicht überlastet wird, wird die Halbleiterschalteinrichtung immer dann von einem parallelgeschalteten Nebenschlußschütz überbrückt, wenn das Tastverhältnis einen vorbestimmten Wert, der nahe 100% liegt, überschreitet.

Bei Motorregelungsschaltungen dieser Art besteht das Problem, daß sowohl die Halbleiterschalteinrichtung als auch das Nebenschlußschütz durch Überlastung defekt werden können und dadurch kurzgeschlossen sind, so daß dem Elektromotor die volle Leistung zugeführt wird, was insbesondere bei Ver­ wendung des Elektromotors für ein batteriebetriebenes Fahrzeug sehr nachteilig ist, da hierdurch Gefahrensitua­ tionen auftreten können. In der US-PS 39 14 675 wird daher vorgeschlagen, durch dynamische Überwachung der Impedanz der Halbleiterschalteinrichtung und des Nebenschlußschützes mit Hilfe von Differenzierschaltungen Kurzschlüsse festzu­ stellen, wobei bei Erfassen eines Kurzschlusses mittels einer Sperrschaltung, die die Polwendeschütze ansteuert, eine Betriebsunterbrechung der Motorregelungsschaltung her­ beigeführt wird, so daß dem Anker des Elektromotors kein Strom mehr zugeführt wird und das Fahrzeug ausrollt.

Da infolge der für die Überwachung eingesetzten Dif­ ferenzierschaltungen die Betriebsunterbrechung erst nach ei­ ner gewissen Verzögerungszeit erfolgt, kann der Fahr­ zeuglenker in der Absicht, eine Werkstätte anzufahren, das Fahrzeug durch dauerndes Ein- und Ausschalten des Haupt­ schützes gleichwohl mit einer begrenzten Geschwindigkeit fortbewegen. Hierbei treten jedoch enorme Stoßströme auf, die zu einem irreparablen Verschweißen der Kontakte aller Schütze, insbesondere auch das Hauptschützes führen können; neben den sehr hohen Kosten für ein neues Hauptschütz besteht in diesem Fall die große Gefahr, daß der Fahrzeuglenker das nun mit voller Leistung angetriebene Fahrzeug nicht mehr rechtzeitig abbremsen kann.

In der GB-PS 14 86 559 ist eine Motorregelungsschaltung für einen fremderregten Reihenschlußmotor beschrieben, bei der die Leistung des Motors mittels eines Thyristors geregelt wird, während seine Drehrichtung durch Änderung der Polung der Reihenwicklung mittels eines Zweifach-Wendeschützes eingestellt wird. Wenn der Fahrtrichtungsschalter ge­ schlossen wird, wenn der Motor mit relativ hoher Leistung betrieben wird, kann ein derart hoher Stoßstrom fließen, daß der Thyristor beschädigt oder zerstört wird. Um dies zu verhindern, ist parallel zum Thyristor eine Zenerdiode geschaltet, die immer dann eine vorbestimmte Zenerspannung erzeugt, wenn das Tastverhältnis sehr klein ist. Indem mit Hilfe eines Spannungsfühlers diese Spannung überwacht wird und die Erregerwicklung des Wendeschützes nur bei anliegender Zenerspannung einschaltbar ist, ist sicher­ gestellt, daß der Motor nur bei entsprechend geringer Leistung umgepolt werden kann.

Gegenstand der DE-OS 29 24 390 ist schließlich eine Netzüberwachungseinrichtung, bei der ein Dreiphasen-Netz mit Hilfe von zwei Komparatoren auf eine Unter- und eine Über­ spannung überwacht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fehlererfassungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß bei einem Defekt der Motorregelungsschaltung eine Inbetriebnahme des Elektromotors unter allen Umständen verhindert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeich­ nungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen ge­ löst.

Hierdurch ist sichergestellt, daß die Bedienungsperson bei einem Defekt der Motorregelungsschaltung den Elektromotor auch durch Einschalten des Hauptschützes nicht in Betrieb nehmen kann. Weitere Beschädigungen der Motorregelungs­ schaltung sind daher sicher ausgeschlossen. Darüber hinaus ist gewährleistet, daß ein von dem Elektromotor angetriebenes Fahrzeug nicht in einen unkontrollierbaren Fahrzustand gerät.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä­ her erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der Motorregelungs­ schaltung; und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Fehlererfassungseinrich­ tung.

In Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Motorregelungsschaltung für einen fremderregten Gleichstrommotor gezeigt. Der Gleichstrommotor weist einen Anker 10 und eine Feldwicklung 12 auf. Die Gleich­ stromquelle in Form einer Batterie 14 liefert Gleichstrom an die Feldwicklung und den Anker. Der posi­ tive Pol der Batterie 14 ist mit einer Sammellei­ tung 16 über ein Hauptschütz 18 verbunden. Die Feldwick­ lung 12 ist mittels mehrerer Vorwärts- und Rückwärtskontakte, die mit V bzw. R bezeichnet sind, in einer Brückenanordnung geschaltet. Durch Öffnen der V-Kontakte und Schließen der R-Kontakte kann die Drehrichtung des Ankers 10 umgekehrt werden. Die Feldwicklung 12 ist zwischen die Sammelleitung 16 und den negativen Pol der Batterie 14 durch eine Strom­ reglerschaltung 20 geschaltet. Ferner ist eine Halbleiterschalt­ einrichtung in Form einer transistorisierten Zerhackerschaltung 20 vorgesehen, die den durchschnittlichen Strom durch die Feldwicklung 12 steuert, indem sie die Gleichspannung der Stromquelle in eine Impulsspannung zerlegt. Eine Freilaufdiode 22, die der Feldwicklung 12 parallel geschaltet ist, bildet einen Strompfad für induktive Ströme während der Nullwerte der von der Zerhackerschaltung 20 erzeugten Impulsspannung. Ein Meßwiderstand 24, der mit der Feldwicklung 12 in Reihe geschaltet ist, liefert ein Ausgangssignal, das den mittleren Feldstrom anzeigt, wobei dieses Signal von einer nicht-gezeigten Regelungsanordnung ver­ wendet wird zum Regeln des Tastverhältnisses der von der Zerhackerschaltung 20 erzeugten Impulsspannung.

Der Anker 10 ist in ähnlicher Weise über eine Zerhackerschaltung 26 mit der Sammelleitung 16 verbunden. Ein Meßwiderstand 28 ist zwischen den Anker 10 und die Stromquelle 14 geschaltet. Eine Freilaufdiode 30 ist dem Anker 10 parallel geschaltet, um einen Strompfad für den Ankerstrom während der Nullwerte der Impuls­ spannung der Zerhackerschaltung 26 zu bilden. Ein Nebenschlußschütz 32 ist der Zerhackerschaltung 26 parallel gechaltet. Das Neben­ schlußschütz 32 ist geschlossen, wenn sich das Tast­ verhältnis der Impulsspannung der Zerhackerschaltung 26 dem Wert eins nähert, um die thermische Beanspruchung der Zerheckerschaltung auf ein Minimum zu senken.

Im Betrieb der Motorregelungsschaltung gemäß Fig. 1 liefert eine nicht-gezeigte Steuerschaltung zunächst ein Schaltsignal, um das Hauptschütz 18 zu schließen, und danach liefert sie Steuersignale an die Zerhackerschaltungen 20 und 26, um den Strom in dem Anker 10 bzw. der Feldwicklung 12 in der Weise zu steuern, daß ein gewünschtes Aus­ gangsdrehmoment erhalten wird. Wenn sich der Motoranker 10 zu drehen beginnt, erzeugt er eine Gegen-EMK, wobei sich das Tastverhältnis der Impulsspannung der Zerhackerschaltung 26 erhöht, um den richtigen Stromwert für das gewünschte Drehmoment einzustellen. Wenn sich das Tast­ verhältnis der Impulsspannung der Zerhackerschaltung 26 100% nähert, wird das Nebenschlußschütz 32 geschlossen, um den Anker 10 direkt an die Batterie 14 zu legen. Wenn das Nebenschlußschütz 32 verschweißen sollte, sind anschließende Versuche der Steuerschaltung, das Ausgangsdrehmoment des Motors zu verän­ dern, ohne Erfolg, da die Zerhackerschaltung 26, obwohl sie auf die Steuerschaltung anspricht, nicht in der Lage ist, den Strom des Ankers 10 zu verändern. Die Bedienungs­ person ist daher gezwungen, den Motor durch Ausschalten des Hauptschützes 18 anzuhalten.

In einem derartigen Fehlerfall wird die Bedienungsperson bzw. der Fahrer gele­ gentlich versuchen, das Fahrzeug zu einer Werkstätte zu bewegen, indem das Hauptschütz 18 wiederholt geöffnet und ge­ schlossen wird. Hierbei kann jedoch ein Strom von mehr als 3000 A durch den Motoranker flie­ ßen. Weiterhin kann ein derart hoher Strom die Kontaktstücke des Hauptschützes 18 verschweißen, wodurch der Anker direkt und ohne Schutz an die Batterie angelegt wird.

Neben der Möglichkeit des Versagens des Schützes 32 kann auch in der Zerhackerschaltung 20 ein Kurzschluß auftreten. Obwohl der letztgenannte Fehler nicht so ernsthaft wie das Versagen der Zerhackerschaltung 26 ist, so verhindert er doch die Steuerung des Motors, da er einen vollen Feldstrom zur Folge hat, der die maximale Fahrzeuggeschwindigkeit auf weniger als die halbe Geschwindigkeit begrenzt, und er kann auch übermäßige Feldtemperaturen innerhalb von 30 Minuten zur Folge haben.

Selbstverständlich wäre es nicht ratsam, den Motor unter derartigen Bedingungen zu betreiben, da jeder anschließende Fehler in den Zerhackerschaltungen 20 oder 26 oder in dem Nebenschlußschütz 32 eine Beschädigung der Elektronik und des Motors zur Folge haben könnte.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Fehlererfassungs­ einrichtung gezeigt. Ein erster Spannungsteiler, der in Reihe geschaltete Widerstände 34 und 36 aufweist, ist der Batterie 14 parallel geschaltet. In einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel haben die Widerstände 34 und 36 den gleichen Widerstandswert, so daß der Spannungsteilerpunkt 38 zwischen den zwei Widerständen auf etwa der halben Batteriespannung liegt. Der Spannungsteilerpunkt 38 ist mit einem Punkt auf der Sammelleitung 16 zwischen dem Hauptschütz 18 und dem Nebenschlußschütz 32 verbunden. Infolge­ dessen ist der Widerstand 34 dem Hauptschütz 18 parallel geschal­ tet und der Widerstand 36 ist dem Motoranker 10 und dem Nebenschlußschütz 32 parallel geschaltet. Wenn das Hauptschütz 18 geschlossen ist, steigt die Spannung am Spannungsteilerpunkt 38 auf die Batteriespannung an. Wenn dagegen das Schütz 32 im geschlossenen Zustand verschweißt ist, hat die Spannung am Spannungsteilerpunkt 38 im wesentlichen das negative Potential der Batterie. Der Spannungsteilerpunkt 38 hat auch dann beinahe Erdpotential, wenn sich die Zerhackerschaltung 20 oder 26 in einem fehlerhaften Kurzschlußzustand befindet.

Der Batterie 14 ist ein zweiter Spannungsteiler parallel geschaltet, der eine Reihenschaltung aus Widerständen 40, 42 und 44 aufweist. Der Knotenpunkt zwischen den Wider­ ständen 40 und 42 ist mit dem invertierenden Eingang eines Komparators 46 verbunden. Der Knotenpunkt zwischen den Widerständen 42 und 44 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Komparators 48 verbunden. Der nicht-invertieren­ de Eingang des Komparators 46 ist mit dem Spannungsteilerpunkt 38 ver­ bunden, ebenso wie der invertierende Eingang des Komparators 48. Der Ausgang des Komparators 46 ist mit dem ersten Eingang einer Dioden-ODER-Schaltung 50 verbunden. Der zweite Eingang der ODER-Schaltung 50 ist mit dem Ausgang des Komparators 48 verbun­ den. Der Ausgang der ODER-Schaltung 50 ist mit dem Setz-Eingang eines Flipflops 52 verbunden. Ein Hochziehwider­ stand 54 legt den Ausgang der ODER-Schaltung 50 an eine positive Spannung an, und ein Belastungswiderstand 56 ver­ bindet diesen Ausgang mit einem gemeinsamen Erdanschluß.

Der Ausgangsanschluß des Flipflops 52 ist mit dem ersten Eingang einer UND-Schaltung 60 verbunden. Der Ausgang der UND- Schaltung 60 ist über einen Widerstand 62 mit der Basis eines Transistors 64 verbunden. Eine Betätigungsspule 66 für das Hauptschütz 18 ist zwischen den Kollektor des Transistors 64 und den positiven Pol der Batterie 14 geschaltet. Der Emitter des Transistors 64 ist mit dem negativen Pol der Batterie 14 verbunden.

Ein Eingangsanschluß 68 empfängt von der nicht- gezeigten Steuerschaltung des Fahrzeugs ein Steuersignal, das z. B. das Drehen eines Schlüsselschalters sein kann. Das Ansteuersignal liegt an einer Differenzierschaltung an, die einen Kondensator 70 und einen damit in Reihe geschalteten Widerstand 72 aufweist, wobei der eine Anschluß des Widerstands 72 mit dem negativen Pol der Batterie verbunden ist. Der Knoten­ punkt zwischen dem Kondensator 70 und dem Widerstand 72 ist mit dem Rücksetz-Eingang des Flipflops 52 verbunden. Das Ansteuersignal am Anschluß 68 wird auch einer Integrierschaltung zugeführt, die aus einer Rei­ henschaltung aus einem Widerstand 74 und einem Kondensator 76 gebildet ist, wobei der eine Anschluß des Kondensators 76 mit dem gemeinsamen Erdanschluß der Batterie verbunden ist. Der Knoten­ punkt zwischen dem Widerstand 74 und dem Kondensator 76 ist mit dem zweiten Eingang der UND-Schaltung 60 verbunden.

Wenn im Betrieb die Spannung am Spannungsteilerpunkt 38 auf dem Mittel­ wert der Batteriespannung liegt, wodurch angezeigt wird, daß weder das Hauptschütz 18 noch das Nebenschlußschütz 32 und auch keine der Zerhacker­ schaltungen 20 oder 26 fehlerhaft sind, werden die Kom­ paratoren in einem Zustand gehalten, in dem ihre beiden Aus­ gangsspannungen eine logische eins darstellen. Demzufolge ist das Ausgangssignal der ODER-Schaltung 50 eine logische eins, welche an den Setz-Eingang des Flipflops 52 angelegt wird. Wenn anschließend ein Aussteuersignal an den An­ schluß 68 angelegt wird, erscheint unverzüglich ein Löschsignal an dem Rücksetz-Anschluß des Flipflops 52, wodurch dessen Ausgangssignal eine logische eins wird. Nach einer kurzen Zeit­ verzögerung, die durch die relativen Werte des Widerstandes 74 und des Kondensators 76 bestimmt ist, erscheint das Ansteuersignal als eine logische eins am zweiten Eingang der UND-Schaltung 60. Wenn beide Eingänge eine logische eins erhalten, wird von der UND-Schaltung 60 ein Signal an die Basis des Transistors 64 geliefert, wodurch dieser durchschaltet und das Hauptschütz einschaltet. Die Differenzierschaltung sorgt dafür, daß das Löschsignal nur für ein kurzes Zeitintervall, beispielsweise für 100 ms, vorhanden ist. Die Integrier­ schaltung liefert etwa nach dem gleichen Zeitintervall eine Verriegelungsfunktion, um das Hauptschütz erregt zu halten.

Falls das Haupt-, das Nebenschlußschütz oder eine der Zerhackerschaltungen 20 oder 26 in einen fehlerhaften Zustand kommt, steigt die Spannung am Knoten­ punkt 38 entweder über ihren Mittelpunktswert oder sie fällt unter ihren Mittelpunktswert. In jedem Fall erfaßt einer der Komparatoren 46 oder 48 die Abweichung von der Mittelpunktsspan­ nung und erzeugt an seinem entsprechenden Ausgang ein Aus­ gangssignal entsprechend einer logischen null. Dieses Signal fließt durch die ODER-Schaltung 50 und legt eine logische null an den Setz-Eingang des Flipflops 52. Wenn das Ansteuersignal anschließend an den Anschluß 68 angelegt wird, wird das von dem Flipflop 52 erzeugte Ausgangssignal eine logische null. Dieses Signal sperrt somit die UND-Schaltung 60, wodurch verhindert wird, daß der Transistor 64 durchschaltet und daß das Hauptschütz 18 erregt wird. Die Werte der Widerstände 40, 42 und 44 sind so gewählt, daß sie für einen entsprechenden Bereich von Spannungen um den Mittelwert der Batteriespannung herum sorgen, um unbeabsichtigte Sperrfunktionen zu verhindern. Werte von 22 kΩ für die Wider­ stände 40 und 44 und ein Wert von 10 kΩ für den Widerstand 42 bilden einen Bereich von 40-60% der Batteriespannung.

Wenn während normaler Betriebsbedingungen entweder die Zerhacker­ schaltung oder das Nebenschlußschütz 32 versagen bzw. fehlerhaft werden sollten, liefert die vorstehend beschriebene Fehlererfassungs­ einrichtung ein Ausgangssignal, worauf das Hauptschütz 18 zwangs­ weise abfällt. Dieses Ausgangssignal wird an den Setz-Eingang des Flipflops 52 angelegt, wodurch dessen Ausgangssignal sofort auf eine logische null umschaltet. Die logische null tritt am Ausgang des Flipflops 52 auf, da während des Betriebes bei ge­ schlossenem Hauptschütz 18 das Ausgangssignal, das von dem Kompara­ tor 46 oder dem Komparator 48 erzeugt wird, eine logische null ist, wodurch eine logische null an den Setz-Eingang des Flipflops 52 angelegt wird.

Hieraus erkennt die Fehlererfassungseinrichtung, daß entweder die Schütze im geschlossenen Zustand verschweißt sind oder daß die Zerhackerschaltungen in einem Kurzschlußzustand sind, und sie wird jede weitere Betätigung des Hauptschützes 18 sperren.

Claims (5)

1. Fehlererfassungseinrichtung mit einer Sperrschaltung zur Betriebsunterbrechung einer Motorregelungsschaltung, welche die einem Elektromotor von einer Stromquelle über ein Hauptschütz zugeführte Leistung mittels einer dem Hauptschütz nachgeschalteten Halbleiterschalteinrichtung regelt, die die Gleichspannung der Stromquelle in eine Impulsspannung unterteilt, deren Tastverhältnis der ge­ wünschten Leistung entspricht, sowie mit einem Nebenschlußschütz, das der Halbleiterschalteinrichtung pa­ rallel geschaltet ist und diese überbrückt, wenn das Tast­ verhältnis einen vorbestimmten Wert überschreitet, gekennzeichnet durch

• a) einen Spannungsteiler (34, 36), der der Stromquelle (14) parallel geschaltet und dessen Spannungsteilerpunkt (38) an den der Stromquelle abgewandten Anschluß des Haupt­ schützes (18) angeschlossen ist, sowie durch
• b) eine Vergleicherschaltung (40-48), die die Spannung am Spannungsteilerpunkt überwacht und ein Fehlersignal erzeugt, wenn diese Spannung außerhalb eines vorbestimmten Spannungs­ bereichs liegt, wobei
• c) die Sperrschaltung (52, 60-76) auf das Fehlersignal hin das Hauptschütz (18) abschaltet bzw. ein Einschalten desselben verhindert.

2. Fehlererfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vergleicherschaltung zwei Komparatoren (48, 46) aufweist, die die Spannung am Spannungsteilerpunkt (38) jeweils mit einer oberen bzw. unteren Grenzspannung vergleichen.

3. Fehlererfassungseinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeich­ net durch einen zweiten Spannungsteiler (40, 42, 44), der der Stromquelle (14) parallel geschaltet ist und zwei Spannungsteilerpunkte aufweist, die auf die obere bzw. die untere Grenzspannung einstellbar und mit einem Eingang des jeweils zugeordneten Komparators verbunden sind.

4. Fehlererfassungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine ODER-Schaltung (50), deren Ein­ gänge mit den Ausgängen der Komparatoren (46, 48) verbun­ den sind und deren Ausgang das Fehlersignal erzeugt.

5. Fehlererfassungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Nebenschlußmotor ist.