Beschreibung
Schaltvorrichtung zum Betreiben eines Motors und entsprechendes Verfahren
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Betreiben eines Motors mit einer mechanischen Kontakteinrichtung, die zwischen zwei Anschlüssen angeordnet und die in einer Dauerbetriebsphase des Motors zur Überbrückung der Anschlüsse einschaltbar ist, und einer Halbleitereinrichtung, die zu der Kontakteinrichtung parallel geschaltet ist und die zwischen den beiden Anschlüssen in einer Startphase des Motors zur leitenden Verbindung der Anschlüsse einschaltbar ist.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines Motors mit einer derartigen Schaltvorrichtung.
Bei heute bekannten elektronischen Motorstartern ist die Parallelschaltung von Halbleiterelementen und mechanischen Kontakten üblich. Im Dauerbetrieb werden die Halbleiterelemente durch die mechanischen Kontakte überbrückt. Dadurch entstehen im Dauerbetrieb statt der vergleichsweise hohen Verlustleistungen der Halbleiterelemente nur die geringen Verlustleistungen des mechanischen Kontaktsystems. Das mechanische Kontaktsystem (im Weiteren als Bypasskontakte bzw. Bypasskontaktsystem bezeichnet) ist aus wirtschaftlichen Gründen heute üblicherweise ohne Lichtbogenlöschvorrichtung ausgestattet.
Um eine Zerstörung des Bypasssystems beim betriebsmäßigen Stromübergang vom Halbleiterelement auf das Bypasskontaktsystem und umgekehrt zu vermeiden, werden die Halbleitersysteme und das Bypasskontaktsystem durch geeignete Steuerabläufe so angesteuert, dass es nur zu einer minimalen Lichtbogenbildung kommt .
Unter betriebsmäßigem Stromübergang werden die Übergänge vom Halbleiterelement auf das Bypasskontaktsystem und umgekehrt verstanden, die beim Wechsel zwischen betriebsmäßigen Steuer- zuständen auftreten. Beispielhaft sei der Übergang vom Hochlauframpenende in den Dauerbetrieb (auch als Bypassphase bezeichnet) genannt.
Werden die Steuerabläufe durch Fehler des Bypasskontaktsys- tems gestört, kann sich folgendes Problem ergeben: Wegen der fehlenden Lichtbogenlöschvorrichtung entsteht ein Stehlichtbogen, der zu einer thermischen Zerstörung des kompletten Geräts führen kann. Derartige Fehler des Bypasskontaktsystems sind beispielsweise: Bruch des Spulendrahtes, Bruch der Hauptkontaktfeder, Ausfall der Ansteuerung des Bypasskontaktsystems und Ausfall der Versorgungsspannung des Bypasssystems .
Zur Vermeidung der Lichtbogenbildung werden nach bekanntem Stand der Technik (z.B. US-Patent 4,618,906 "Hybrid Solid
State/ Mechanical Switch with Failur.e Protection", EP 0 926 809 Bl bzw. US 6,111,377 "Control Device for a multiphase e- lectric Motor") in einer solchen Parallelschaltungsanordnung die Halbleiterelemente vor dem Einschaltbefehl für die By- passkontakte eingeschaltet und erst wieder, nachdem die Bypasskontakte per Befehl geöffnet worden sind, ausgeschaltet. Damit wird ein lichtbogenarmes Ein- und Ausschalten der Bypasskontakt erreicht.
Eine weitere Möglichkeit stellt eine hardwaregesteuerte Zwangszündung der Halbleiterelemente dar, wie sie in DE 20014351 Ul genannt ist.
Eine andere Möglichkeit ist das dauerhafte Einschalten der Halbleiterelemente in der gesamten Bypassphase. Dies hat jedoch eine Reihe von Nachteilen:
• Es ist eine größere Dimensionierung der Ansteuerelektronik für die Halbleiterelemente notwendig, woraus sich eine höhere Verlustleistung in der Ansteuerelektronik durch höhere Stromaufnahme und höhere Geräteinnentempe- ratur ergibt .
• Ferner ist keine Kontrolle der Stromführung (Halbleiterelement oder Bypass) möglich. • Bei hohen Übergangswiderständen an den Bypasskontakten erfolgt der Stromfluss ausschließlich über die Halbleiterelemente, so dass eine thermische Überlastung der Halbleiterelemente eintreten kann.
Zur Vermeidung dieser Nachteile können, wie erwähnt, die
Halbleiterelemente jeweils kurz nach dem lichtbogenarmen Einschalten der Bypasskontakte ausgeschaltet und kurz vor dem lichtbogenarmen Ausschalten der Bypasskontakte wieder eingeschaltet werden. Damit wird eine Stromführung über die By- passkontakte erzwungen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die oben genannten Nachteile zu vermeiden, insbesondere ein fehlerhaftes Öffnen der Bypasskontakte bei ausgeschalteten Halbleiterelementen zuverlässig zu erkennen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltvorrichtung zum Starten eines Motors mit einer mechanischen Kontakteinrichtung, die zwischen zwei Anschlüssen angeordnet und die in einer Dauerbetriebsphase des Motors zur Überbrückung der Anschlüsse einschaltbar ist, und einer Halbleitereinrichtung, die zu der Kontakteinrichtung parallel geschaltet ist und die zwischen den beiden Anschlüssen in einer Startphase des Motors zur leitenden Verbindung der Anschlüsse einschaltbar ist, sowie einer Spannungsüberwachungseinrich- tung zum Überwachen der Spannung an den Anschlüssen und zum
Einschalten der Halbleitereinrichtung, falls die Spannung einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Motors mit einer derartigen Schaltvorrichtung vorgesehen, wobei die Spannung an den Anschlüssen überwacht und die Halbleiterschaltung eingeschaltet wird, falls die Spannung einen vorgegebenen Wert übersteigt .
In vorteilhafter Weise kann damit ein Lichtbogen in einer Parallelschaltungsanordnung von Halbleiterelementen und Bypasskontakten ohne mechanische Lichtbogenlöschvorrichtung bei ausgeschalteten Halbleiterelementen zuverlässig erkannt werden. Durch entsprechendes Reagieren auf den Lichtbogen, in dem die Halbleiterelemente in geeigneter Weise eingeschaltet werden, kann eine gezielte und definierte Stromführung über die Halbleiterelemente erreicht und Schädigungen am Gerät durch den Lichtbogen vermieden werden. Darüber hinaus kann eine zuverlässige Überwachung und Auswertung (z.B. Fehlermel- düng) des mechanischen Kontaktsystems gewährleistet werden.
Vorzugsweise besitzt die Halbleitereinrichtung zwei antiparallel geschaltete Thyristoren. Diese lassen sich zu definierten Zeitpunkten elektronisch zünden und ermöglichen ein sehr rasches An- und Abschalten. Somit lässt sich die Effektivspannung beispielsweise zum Starten eines Motors kontinuierlich steigern.
Die erfindungsgemäße Spannungsüberwachungseinrichtung kann einen Analogwandler, ein Schwellwertvergleichselement und eine Steuereinheit aufweisen, so dass ein analoges Spannungssignal mit einem Schwellwert vergleichbar und ein resultierendes, binäres Vergleichsergebnis als Eingangssignal für die Steuereinheit zum Schalten der Halbleitereinrichtung einsetz- bar ist. Durch diese analoge Auswertung kann eine einfache und kostengünstige Spannungsüberwachung erreicht werden.
Alternativ kann die Spannungsüberwachungseinrichtung eine Steuereinheit umfassen, in die ein Analog/Digitalwandler und ein Schwellwertvergleichselement integriert sind, so dass ein digitalisiertes Spannungssignal mit einem Schwellwert vergleichbar und ein resultierendes Vergleichsergebnis zum Schalten der Halbleitereinrichtung durch die Steuereinheit einsetzbar ist. Damit sind sämtliche Komponenten für die digitale Spannungsüberwachung in die Steuereinheit integriert, was gegebenenfalls zu Montagevorteilen führt.
Der Spannungsbereich der überwachten Spannung sollte die an der Kontakteinrichtung auftretende Lichtbogenspannung einschließen. Somit lässt sich das Auftreten eines Lichtbogens zielgerecht erfassen.
Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung weist die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung eine Abschalteinrichtung zum Ausschalten der Halbleitereinrichtung nach einer definierten Zeitdauer oder Periodenzahl eines Spannungsverlaufs im An- schluss an das Einschalten der Halbleitereinrichtung durch die Spannungsüberwachungseinrichtung auf. Bei reversiblen, kurzzeitigen Unterbrechungen wird nach dem Einschalten der Halbleitereinrichtung wieder in den verlustarmen Dauerbetrieb mit der mechanischen Kontakteinrichtung geschaltet.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Abschalteinrichtung ein Störmeldesignal ausgibt, falls die Halbleitereinrichtung durch die Spannungsüberwachungseinrichtung mehrmals in einem vorgegebenen Zeitabschnitt eingeschalte wird. Dieses mehrma- lige Einschalten der Halbleitereinrichtung deutet nämlich auf einen irreversiblen Fehler hin, so dass es aus Sicherheitsgründen angebracht sein kann, mit dem Störmeldesignal ein externes, vorgeschaltetes und in Serie zur Schaltvorrichtung liegendes Schaltorgan zu betätigen, um den Stromfluss zu un- terbrechen und entsprechende Reparaturmaßnahmen einzuleiten.
Eine weitere bevorzugte Ausfϋhrungsform ist die Integration eines Schaltorgans in die Schaltvorrichtung. Dieses Schaltorgan liegt in Serie zur Parallelschaltung aus mechanischer Kontakteinrichtung und Halbleitereinrichtung und wird im Falle eines irreversiblen Fehlers von der Steuereinheit betätigt, um den Stromfluss zu unterbrechen.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung; und
FIG 2 Signalverlaufsdiagramme der erfindungsge- mäßen Schaltvorrichtung.
Die nachfolgende näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Das Ausschalten der Halbleiterelemente in der Bypassphase stellt eine Grundvoraussetzung für die Arbeitsweise des hier beschriebenen elektronischen Lichtbogenerkennungs- und Löschsystems dar.
Die Erfindung zielt darauf ab, den nicht betriebsmäßigen Zustand des Öffnens der Bypasskontakte (z.B. durch einen Fehlerfall oder eine mechanische Beanspruchung) innerhalb der Bypassphase zu erkennen und so zu reagieren, dass es bei re- versiblen Fehlern nicht zu einer irreparablen Schädigung der Kontakte durch die Lichtbogenbildung kommt. Bei irreversiblen Fehlern soll es nicht zu einer thermischen Zerstörung des Geräts durch einen Stehlichtbogen kommen und die Auswirkungen eines solchen Fehlers sollen auf das Gerät selbst beschränkt bleiben.
Reversible Fehler sind in diesem Zusammenhang beispielsweise eine kurzzeitige Unterbrechung oder ein Ausfall der Steuerspannung des Spulenantriebs des Bypasskontaktsystems, was zum ungewollten Öffnen der Kontakte führt. Reversible Fehler sind aber auch mechanische Erschütterungen, die ebenfalls zum ungewollten Öffnen der Kontakte führen. Als irreversible Fehler können ein Bruch des Spulendrahts des Spulenantriebs, ein Bruch der Hauptkontaktfeder des Bypasskontaktsystems oder ein Bauteildefekt in der Ansteuerung des Spulenantriebs bezeich- net werden.
Um das ungewollte Öffnen der Bypasskontakte erkennen zu können, wird erfindungsgemäß die Spannung über der Parallelschaltungsanordnung erfasst. Bei geschlossenen Bypasskontak- ten fällt nahezu keine Spannung über der Parallelschaltung ab. Öffnen die Bypasskontakte, entspricht die entstehende Spannung der Lichtbogenspannung zwischen den Bypasskontakten.
Die Lichtbogenspannung kann entsprechend FIG 1 mit einem Spannungserfassungskreis detektiert werden. Hierbei wird die Spannung an -der Parallelschaltungsanordnung bestehend aus, den mechanischen Kontakten bzw. dem Bypasskontaktsystem 1 und der hierzu parallel geschalteten Halbleitereinrichtung 2, überwacht. Die Halbleitereinrichtung 2 besteht hier aus einer An- tiparallelschaltung von zwei Thyristoren 3 und 4.
Die an der Parallelschaltungsanordnung anliegende Spannung Up wird in einer Spannungsüberwachungseinrichtung 5 erfasst und zur Ansteuerung der Halbleitereinrichtung 2 bzw. der Thy- ristoren 3 und 4 sowie des Bypasskontaktsystems 1 verwendet. Die Spannungsüberwachungseinrichtung besteht hierzu aus einem Analogwandler 6, einem Schwellwertvergleichselement 7 und einer daran angeschlossenen Steuereinheit 8. Der Analogwandler 6 setzt das analoge Spannungssignal Up in eine analoge Span- nung Uap geeigneter Höhe zum Zwecke der Pegelanpassung um. Das nachgeschaltete Schwellwertvergleichselement 7 bewirkt einen Vergleich des analogen Spannungssignals Uap mit einem
vorbestimmten Schwellwert. Das digitale Ausgangssignal Udp dieses Schwellwertvergleichselements 7 wechselt seinen Pegel, sobald das digitale Spannungssignal den Schwell- bzw. Grenzwert überschreitet oder unterschreitet. Das Ausgangssignal Udp des Schwellwertvergleichselements 7 wird von der Steuereinheit 8 dazu verwendet, um die Thyristoren 3 und 4 sowie das Bypasssystem 1 anzusteuern. Die Steuerleitungen sind in FIG 1 der Übersicht halber lediglich durch einen Pfeil aus der Steuereinheit 8 angedeute .
Optional kann an der Steuereinheit 8 ein Stormeldekontakt 9 zur Ausgabe eines Stormeldesignals vorgesehen sein. Des Weiteren kann vor die Parallelschaltung aus Halbleitereinnchtung 2 und mechanischer Kontakteinrichtung 1 ein Schaltorgan 10 in Reihe geschaltet werden, mit welchem im Falle eines Defekts der Halbleitereinnchtung 2 oder der Kontakteinrichtung 1 der Stromfluss unterbrochen oder abgeschaltet werden kann.
In einem alternativen Aufbau kann der Analog/Digitalwandler und das Schwellwertvergleichselement in die Steuereinheit integriert sein. In diesem Fall wird das analoge Spannungssig- nal Up direkt an einen A/D-Eingang der Steuereinrichtung gelegt und die Spannungsgrenzwertüberwachung innerhalb der Steuereinrichtung durchgeführt. Das oben beschriebene Verhal- ten des digitalen Signals Udp hinsichtlich Pegel- und Flankenwechsel wird dabei vollständig in der Steuereinrichtung überwacht und verwertet .
Wird eine Lichtbogenspannung detektiert, veranlasst die Steu- ereinrichtung eine sofortige Einschaltung der Halbleiterele- mente 3, 4. Der Stromfluss wird damit schnellstmöglich von den Halbleiterelementen übernommen und die Spannung an der Parallelschaltung geht auf die geringe Durchlassspannung der Halbleiterelemente zurück. Der Lichtbogen wird somit ge- loscht.
Durch den Einsatz eines elektronischen Lichtbogenerkennungs- (bzw. Kontaktüberwachungssystems) und Löschsystems ergeben sich einen Reihe von Vorteilen: • ein Einsatz von Bypasskontakten ohne mechanische Lichtbogenlöschvorrichtung und somit ein einfacher, kompakter und kostengünstiger Aufbau der Kontakte wird ermöglicht;
• die Überwachung des mechanischen Kontaktsystems (Bypass- System) wird ermöglicht, insbesondere wird ein Bruch der Kontaktfeder erkannt und der entstehende Lichtbogen gelöscht;
• im fehlerfreien Betrieb erfolgt eine definierte Strom- führung über die Bypasskontakte;
• ein Schutz der Bypasskontakte vor irreparabler Lichtbogenschädigung wird gewährleistet; und • es erfolgt eine zuverlässige Erkennung des fehlerhaften Öffnens der Bypasskontakte bei ausgeschalteten Halbleiterelementen und somit eine sichere Fehlererkennung (Bruch Spulendraht, Bruch Kontaktfeder, etc)
FIG 2 zeigt schematisch die Signalverläufe der Spannung Up in der Parallelschaltungsanordnung 2 und das daraus abgeleitete digitale Signal Udp, die Ansteuersignale für die Thyristoren und die Bypasskontakte sowie die zugehörigen Stromverläufe, die bei Auftreten einer Öffnung der Bypasskontakte in Verbin- düng mit dem elektronischen Lichtbogenerkennungs- und Löschsystem entstehen. Dabei entspricht IThyristor dem Strom durch die antiparallel geschalteten Thyristoren 3, 4, Ißypass dem Strom durch das Bypasssystem und iGesam der Summe aus Iτhyrstor
Und Ißypass •
Die Arbeitsweise des elektronischen Lichtbogenerkennungs- und Löschsystems lässt sich anhand von FIG 2 wie folgt beschreiben:
Bei geschlossenen Bypasskontakten fällt nahezu keine Spannung Up über der Parallelschaltung ab und der Pegel des digitalen Spannungssignals Udp ist konstant. Öffnet ein Bypasskontakt (z.B. durch einen reversiblen Fehlerfall wie Ausfall der Versorgungsspannung des Bypasssystems oder eine mechanische Be- anspruchung oder einen irreversiblen Fehler wie Bruch der Kontaktfeder oder Bruch des Spulendrahts) zum Zeitpunkt t0, so wird sich innerhalb der Parallelschaltung eine Spannung Up aufbauen, die der Lichtbogenspannung UL zwischen den Bypasskontakten entspricht. Überschreitet die Lichtbogenspannung UL einen zulässigen Spannungsgrenzwert, so erfolgt ein Pegelwechsel des digitalen Spannungssignals Udp. Ausgehend von der Flanke, die durch den Pegelwechsel des digitalen Spannungssignals Udp entsteht, veranlasst die Steuereinrichtung 8 zum Zeitpunkt ti eine sofortige Einschaltung der Halbleiterele- mente 3, 4. Der Stromfluss wird damit schnellstmöglich von den HalbleitereLementen 3, 4 (vgl. Iτhyristor) übernommen und die Spannung Up an der Parallelschaltung geht auf die geringe Durchlassspannung der Halbleiterelemente zurück. Der Lichtbogen wird somit gelöscht.
Zu einem Zeitpunkt t2, der beispielsweise zwei bis drei Halbwellen der Wechselspannung nach dem Zeitpunkt ti liegt, schaltet die Steuereinheit 8 die Thyristoren wieder aus bzw. beendet deren Zünden. Daraufhin muss der nächste Nulldurch- gang des Thyristorstroms Imyistor zum Zeitpunkt t3 abgewartet werden, damit die Thyristoren 3, 4 erlöschen können, so dass die Schaltvorrichtung abgeschaltet ist. Dementsprechend steigt die Spannung Up an der Parallelschaltung auf den aktuellen Spannungswert der Schaltvorrichtung an. Dieser betrags- mäßige Spannungsanstieg wird durch das Schwellwertvergleichselement 7 detektiert, womit das digitale Signal Udp einen Pegelwechsel vollzieht. Auch im Anschluss daran, wenn das ana-
löge Spannungssignal Up einen Nulldurchgang vollzieht, finden entsprechende Pegelwechsel des digitalen Signals Udp in Abhängigkeit des gewählten Schwellwerts vor und nach dem Nulldurchgang statt.
Das soeben dargestellte Abschalten der Schaltvorrichtung erfolgt jedoch typischerweise nicht nach dem Erkennen eines ersten Lichtbogens, denn dieser Lichtbogen könnte durch einen reversiblen Fehler ausgelöst worden sein. Vielmehr wird das Bypasssystem nach einer vorbestimmten Zeit wieder eingeschaltet und die Thyristoren 3 und 4 ausgeschaltet, so dass die Schaltvorrichtung im Normalbetrieb weiterläuft und es zu keiner Unterbrechung des Stromes iGesamt gekommen ist. Wird innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erneut ein oder mehrere Lichtbögen festgestellt, so kann diese Tatsache genutzt werden, um die Schaltvorrichtung in einen sicheren Zustand zu überführen. Die Ursache der mehreren Lichtbögen wird nämlich einer der oben beschriebenen irreversiblen Fehler sein.
Ein sicherer Zustand wird dadurch erreicht, dass die Thyristoren 3 und 4 beim Erkennen eines irreversib-len Fehlers dauerhaft eingeschaltet werden, um eine thermische Zerstörung der Schaltvorrichtung infolge von Lichtbögen zu verhindern. Die Thyristoren müssen auch eingeschaltet bleiben, wenn ein AUS-Signal an die Schaltvorrichtung gegeben wird, da wegen des irreversiblen Fehlers ein Öffnen der mechanischen Kontakteinrichtung nicht mehr möglich ist.
Dies stellt insofern keinen schwerwiegenden Nachteil dar, weil erstens dieser Fehlerfall dem von durchlegierten Thyristoren entspricht und dieser Fehlerfall durch entsprechende vorgeordnete Absicherungen/Schaltorgane immer beherrscht werden muss und zweitens die als irreversibel bezeichneten Fehler nur extrem selten auftreten.
Die Überführung der Schaltvorrichtung in den sicheren Zustand kann auch dadurch erfolgen, dass von der Steuereinheit 8 ein
Störmeldesignal abgegeben wird, welches z.B. ein externes, vorgeordnetes und zur Schalteinrichtung in Serie liegendes Schaltorgan ausschaltet und damit den Stromfluss unterbricht Die Überführung in den sicheren Zustand kann ferner dadurch erfolgen, dass die Steuereinheit 8 ein in der Schaltvorrichtung vorhandenes Schaltorgan unterbricht, welches in Serie zur Parallelschaltung aus Halbleitereinrichtung und mechanischer Kontakteinrichtung liegt.