DE102004043877A1

DE102004043877A1 - Antriebssteuereinrichtung für einen selbstgeführten Stromrichter

Info

Publication number: DE102004043877A1
Application number: DE102004043877A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr. Schierling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2024-09-11
Also published as: DE102004043877B4; US20060056212A1; US7529111B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebssteuereinrichtung (A) für einen selbstgeführten Stromrichter (W) mit jeweils einer Ansteuerschaltung für dessen Stromrichterventile (T1, T3, T5; T2, T4, T6) einer jeden Brückenhälfte, mit jeweils einer einer Brückenhälfte zugeordneten Impulssperrsteuerung (I1, I2) für jede Ansteuerschaltung und mit einer abschaltbaren mit einer korrespondierenden Impulssperrsteuerung (I1, I2) signaltechnisch verbundenen Spannungsversorgung für jede Ansteuerschaltung. Erfindungsgemäß weist diese abschaltbare Spannungsversorgung für jede Signalübertragungseinrichtung der beiden Ansteuerschaltungen jeweils einen einen Schalter (S1, S3, S5; S2, S4, S6) aufweisenden Impulssperrpfad (IP1, IP3, IP5; IP2, IP4, IP6) auf, wobei diese Schalter (S1, S3, S5; S2, S4, S6) signaltechnisch mit einer korrespondierenden Impulssperrsteuerung (I1, I2) verknüpft sind, und ist jeder Impulssperrpfad (IP1, IP3, IP5; IP2, IP4, IP6) eingangsseitig mit einer externen Spannung und ausgangsseitig einerseits jeweils mittels einer Diagnoseleitung mit einer korrespondierenden Impulssperrsteuerung (I1, I2) und andererseits jeweils mit einer Signalübertragungseinrichtung verknüpft. Somit wird die gattungsgemäße Ansteuereinrichtung (A) mit einfacheren Mitteln derart weitergebildet, dass deren Schalter (S1, S3, S5; S2, S4, S6) während des Betriebes des selbstgeführten Stromrichters (W) überprüft werden können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebssteuereinrichtung für einen selbstgeführten Stromrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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.
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.
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.
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.

Eine gattungsgemäße Antriebssteuereinrichtung A ist aus dem deutschen Patent 100 59 173 bekannt. In der 1 ist diese gattungsgemäße Antriebssteuereinrichtung A 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. RS2, 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. Ein derartiger Impulssperrpfad IP1 bzw. IP2 stellt eine abschaltbare Spannungsversorgung dar, die bei der Auslösung "Sicherer Halt" abgeschaltet wird. 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.

Diese Optokoppler OK1 bis OK6 sind gemäß der Veröffentlichung "IGBT-Module in Stromrichtern: regeln, steuern, schützen", von Werner Bösterling, Ralf Jörke und Martin Tscharn, abgedruckt in der DE-Zeitschrift "etz", Band 110 (1989), Heft 10, Seiten 464 bis 471, zwischen der Steuerelektronik mit Mikroprozessor und Treiberstufer eines jeden Stromrichterventils T1 bis T6 des selbstgeführten Stromrichters W angeordnet. Anstelle von Optokoppler OK1 bis OK6 können auch Übertrager verwendet werden. Mittels einer derartigen Signalübertra gungseinrichtung wird die Wirkung von Störspannungen auf den Mikroprozessor der Steuerelektronik unterbunden.

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 Brükkenzweig 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 52 (mechanischer oder auch elektronischer Bauart) mit dem Signal IL2 durch die Impulssperrsteuerung I2 sowie durch Impulssperre im Steuersatz ST.

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 des Schalters S1 die Versorgungsspannung SV1 über das hinter dem Schalter S1 abgegriffene Diagnose-Signal SV1 Diag und nach Betätigen von S2 die Versorgungsspannung SV2 über das Diagnose-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 rea-gieren, da auch sogenannte schlafende Fehler durch die Zwangsdynamisierung aufgedeckt werden.

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 jedoch eine beliebige Überprüfung ohne Betriebsunterbrechung.

Aus der älteren nationalen Patenanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 103 07 999.8 ist ebenfalls eine Antriebssteuereinrichtung für einen selbstgeführten Stromrichter bekannt. Bei dieser Antriebssteuereinrichtung ist jedem Schalter ein zweiter Schalter elektrisch parallel geschaltet, wobei diese parallelen Schalter mittels Entkopplungsdioden voneinander entkoppelt sind. Da dadurch diese Schalter abwechselnd ein- und ausschaltbar sind, können ohne Betriebsunterbrechung diese Schalter auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft werden. Dazu wird die Spannung am Ausgang eines jeden Schalters erfasst. Wenn der eine Schalter zwecks Überprüfung abgeschaltet wird, wird die Spannungsversorgung für die nachfolgende Ansteuerung über den parallelen geschlossenen Pfad aufrechterhalten. Somit erhält man bezüglich der Schalter eine Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung.

Bei einer zweiten Ausgestaltung der Antriebssteuereinrichtung dieser älteren nationalen Patentanmeldung wird diese Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung erreicht. Dies wird dadurch erreicht, dass den beiden Schaltern gemeinsam eine Schaltungsanordnung zu einer kurzzeitigen Gleichspannungsversorgung nachgeschaltet ist. Diese Schaltungsanordnung sorgt dafür, dass die Spannungsversorgung für die nachgeschalteten Ansteuerschaltungen von der Überprüfung der eingangsseitigen Schalter unbeeinflusst bleibt. Da diese Schalter taktend betreibbar sind, können diese Schalter immer genau dann überprüft werden, wenn dieser abgeschaltet ist.

Beiden Ausführungsformen der abschaltbaren Spannungsversorgung ist gemeinsam, dass die Schalter während des Betriebes des selbstgeführten Stromrichters fortlaufend ein- und ausgeschaltet werden können, ohne dass sich an den Versorgungsein gängen der nachgeschalteten Ansteuerschaltungen die Spannung ändert. Dadurch kann der Zustand jedes Schalters ohne Betriebsunterbrechung überprüft werden, womit eine Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung erreiht wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Antriebssteuereinrichtung derart weiterzubilden, dass deren Schalter der Impulssperrpfade ohne Betriebsunterbrechung überprüft werden können, womit eine Zwangsdynamisierung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass jede Signalübertragungseinrichtung der beiden Ansteuerschaltungen jeweils mittels eines Impulssperrpfad von einer externen Spannung getrennt werden kann, kann während des Betriebes des selbstgeführten Stromrichters jeder Schalter der Impulssperrpfade zur Zwangsdynamisierung betriebsmäßig betätigt werden. An Hand der einzelnen Diagnose-Signale kann die korrespondierende Impulssperrsteuerung feststellen, ob sich jeder Schalter öffnen lässt.

Ein Schalter eines Impulssperrpfades lässt sich genau dann überprüfen, wenn sein korrespondierendes Stromrichterventil des selbstgeführten Stromrichters gerade ausgeschaltet oder das zweite Stromrichterventil des gleichen Brückenzweiges eingeschaltet ist. Dazu ist eine Synchronisationslogik zwischen Zwangsdynamisierungsabschaltung und Ansteuersignal, die bei regulärem Abschalten bei "Sicherer Halt" nicht wirksam sein darf, erforderlich.

Um den Aufwand hierfür zu sparen, kann man die Zwangsdynamisierung vornehmen, wenn das zugeordnete Stromrichterventil des selbstgeführten Stromrichters auf Grund des Vorzeichens eines Laststromes keinen Strom führen kann. Da die Zeitbereiche mit konstantem Vorzeichen sehr lange sind, kann die Vor zeichenerkennung mittels einer einfachen Abfrage realisiert werden.

Gegenüber der Ausführungsform der älteren nationalen Patentanmeldung weist diese erfindungsgemäß ausgestaltete gattungsgemäße Antriebssteuereinrichtung nur sechs Schalter auf, die nur für den einfachen Strom durch jeweils eine Signalübertragungseinrichtung ausgelegt sind. Bei der Ausführungsform der älteren nationalen Patentanmeldung werden dagegen nur vier Schalter aber zusätzlich noch vier weitere Dioden verwendet, wobei diese Elemente jeweils auf den dreifachen Strom dimensioniert sein müssen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung sind den Unteransprüchen 2 bis 5 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer gattungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung mit der Funktion "Sicherer Halt" und die
2 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebssteuereinrichtung.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform der Antriebssteuereinrichtung gemäß 2 unterscheidet sich von der gattungsgemäßen Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass nun jeder Optokoppler der beiden Ansteuerschaltungen jeweils mittels eines Impulssperrpfade IP1, IP3, IP5, IP2, IP4 und IP6 von der externen Spannung während des Betriebes des selbstgeführten Stromrichters getrennt werden kann. Dabei sind diese Impulssperrpfade genauso aufgebaut wie in der gattungsgemäßen Ausführungsform gemäß 1. Ausgangsseitig weist auch jeder Impulssperrpfade IP1, ..., IP6 eine Diagnoseleitung auf, in der jeweils eine Entkopplungsdiode DD1, DD3, DD5, DD2, DD4 und DD6 angeordnet ist. Mittels dieser Entkopplungsdioden DD1 bis DD6 gelangen Diagnose-Signale SV1_Diag, SV3_Diag, SV5_Diag, SV2 Diag, SV4_Diag und SV6_Diag zu der Impulssperrsteuerung IP1. Die Schalter S1, S3, S5 bzw. S2, S4, S6 werden von der Impulssperrsteuerung IP1 bzw. IP2 angesteuert.
Zur Steuerung der Zwangsdynamisierung sind die ermittelten Lastphasenströme IR_motor, IS_motor und IT_motor der Impulssperrsteuerung IP1 zugeführt. Diese Lastphasenströme IR_motor, IS_motor und IT_motor werden für die Steuerung des Antriebs, insbesondere des selbstgeführten Stromrichters, benötigt, so dass diese für die Steuerung der Zwangsdynamisierung nicht zusätzlich ermittelt werden müssen. In Abhängigkeit dieser gemessenen Ströme IR_motor, IS_motor und IT_motor, insbesondere deren Vorzeichen, werden die Schalter S1 bis S6 derart angesteuert, dass der Betrieb des selbstgeführten Stromrichters W nicht unterbrochen werden muss. Dazu wird ein Schalter S1 bzw. S3 bzw. S5 bzw. S2 bzw. S4 bzw. S6 genau dann angesteuert, wenn das zugehörige Stromrichterventils T1 bzw. T3 bzw. T5 bzw. T2 bzw. T4 bzw. T6 auf Grund des Vorzeichens des Lastphasenstromes IR_motor, IS_motor und IT_motor keinen Strom führen kann. D.h., dass der Schalter S1 angesteuert wird, wenn der Lastphasenstrom IR_motor kleiner Null ist. Da die Zeitbereiche der Lastphasenströme IR_motor, IS_motor und IT_motor mit konstantem Vorzeichen relativ lang sind, kann der Zeitpunkt für die Ansteuerung eines entsprechenden Schalters S1 bzw. S3 bzw. S5 bzw. S2 bzw. S4 bzw. 56 durch einfache Abfrage ermittelt werden.
Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung der gattungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung A können nun die Schalter S1 bzw. S3 bzw. S5 bzw. S2 bzw. S4 bzw. S6 der Impulssperrpfade IP1, IP3, IP5, IP2, IP4 und IP6 ohne Betriebsunterbrechung des selbstgeführten Stromrichters W überprüft werden. Zur Steuerung dieser Schalter S1 bzw. S3 bzw. S5 bzw. 52 bzw. S4 bzw. S6 werden die vorhandenen Lastphasenströme IR_motor, IS_motor und IT_motor derart verwendet, dass deren Vorzeichen ausgewertet werden. Diese Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung wird gegenüber der Ausführungsform gemäß der eingangs genannten älteren nationalen Patentanmeldung mit einfacheren Mitteln erreicht.

Claims

Antriebssteuereinrichtung (A) für einen selbstgeführten Stromrichter (W) mit jeweils einer Ansteuerschaltung für dessen Stromrichterventile (T1, T3, T5; T2, T4, T6) einer jeden Brückenhälfte, mit jeweils einer einer Brückenhälfte zugeordneten Impulssperrsteuerung (I1, I2) für jede Ansteuerschaltung, mit einer abschaltbaren mit einer korrespondierenden Impulssperrsteuerung (I1, I2) signaltechnisch verbundenen Spannungsversorgung für jede Ansteuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass diese abschaltbare Spannungsversorgung für jede Signalübertragungseinrichtung der beiden Ansteuerschaltungen jeweils einen einen Schalter (S1, S3, S5; S2, S4, S&) aufweisenden Impulssperrpfad (IP1, IP3, IP5; IP2, IP4, IP6) aufweist, wobei diese Schalter signaltechnisch mit einer korrespondierenden Impulssperrsteuerung (I1, I2) signaltechnisch verknüft sind, und dass jeder Impulssperrpfad (IP1, IP3, IP5; IP2, IP4, IP6) eingangsseitig mit einer externen Spannung und ausgangsseitig einerseits jeweils mittels einer Diagnoseleitung mit einer korrespondierenden Impulssperrsteuerung (I1, I2) und andererseits jeweils mit einer Signalübertragungseinrichtung verknüpft ist.
Antriebssteuereinrichtung (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Diagnoseleitung eine Entkopplungsdiode aufweist.
Antriebssteuereinrichtung (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter (S1, S3, S5; S2, S4, S6) ein mechanischer Schalter vorgesehen ist.
Antriebssteuereinrichtung (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter (S1, S3, S5; S2, S4, S6) ein elektronischer Schalter vorgesehen ist.
Antriebssteuereinrichtung (A) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als elektronischer Schalter ein abschaltbarer Halbleiterschalter vorgesehen ist.
Antriebseinrichtu8ng (A) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Signalübertragungseinrichtung ein Optokoppler (OK1,...,OK6) vorgesehen ist.