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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sicheren Drehmomentbegrenzung
eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten Drehstrommotors
und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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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. Viele Antriebe
an Maschinen führen
zu Gefahr bringenden Bewegungen, von denen Menschen geschützt werden
müssen.
Während
man bisher Antriebssteuerungen vom Netz getrennt hat, wenn manuelle
Eingriffe zur Störungsbeseitigung,
zum Einrichten usw. erforderlich waren, gibt es heute Anwendungen,
bei denen dies nicht gewünscht
oder nicht möglich
ist. Vielfach sind zudem Eingriffe bei laufender Maschine notwendig, so
dass der Betrieb bei aufgehobener Schutzwirkung von Schutzeinrichtungen
erforderlich wird. Hierzu sind Sicherheitsfunktionen wie sicherer
Halt, sicher reduzierte Geschwindigkeit und sicheres Stillsetzen definiert
worden, die teilweise unter Verwendung von herkömmlichen Frequenzumrichtern
realisiert werden können
oder die in Frequenzumrichtern integriert sind.
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In
der Veröffentlichung
mit dem Titel "Satety in
Bewegung – Sicherheitsfunktionen
für Antriebssteuerungen
in der Praxis",
abgedruckt in der DE-Zeitschrift "elektrotechnik", Heft 9, 2003, Seiten 34 bis 36, werden
die Realisierungen sicherer Schutzmaßnahmen vorgestellt. Zu diesen
sicheren Schutzmaßnahmen
zählen
in dieser Veröffentlichung sichere
Impulssperre (sicherer Halt) und die sichere Bewegungssteuerung.
Durch die Integration der Sicherheitstechnik in die funktionelle
Maschinensteuerung entstehen zweikanalige Rechnerstrukturen. Das Ausschalten
eines Antriebs erfolgt ebenfalls zweikanalig über die "sichere Impulssperre". Somit verfügen die beiden Rechner der
zweikanaligen Rechnerstruktur jeweils über einen unabhängigen Abschaltpfad. Um
Fehler in der Steuerung erkennen zu können, führen die beiden Rechner der
zweikanaligen Rechnerstruktur neben Selbsttests u.a. einen kreuzweisen Datenvergleich
durch, indem sie sicherheitsrelevante Daten gegenseitig vergleichen.
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Mit
dem Ausdruck "sicher" soll dabei zum Ausdruck
gebracht werden, dass die jeweiligen Anforderungen im Sinne der
Berufsgenossenschaft und berufsgenossenschaftlichen Institute für Arbeitssicherheit
erfüllt
werden.
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Mit
diesen Funktionen können
derzeit nicht alle Gefährdungssituationen
beherrscht werden. Anhand eines Beispiels wird dies näher erläutert:
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Eine
Maschinenkomponente besteht aus angetriebenen Walzen. Ein Gut wird über diese
Walzen befördert
oder bearbeitet. Zu Wartungszwecken, zur Reparatur, zur Reinigung
oder zum Entfernen von verklemmtem Gut muss der Bediener in die
Maschinenkomponente hineinlangen. Für diesen Vorgang ist jedoch
die Bewegung der Walzen erforderlich. Dazu werden die Walzen mit
sicherer reduzierter Geschwindigkeit, beispielsweise gemäß der
DE 101 63 010 A1 bzw.
der
DE 100 59 172
A1 (geberlos) betrieben. Trotz der reduzierten Geschwindigkeit
besteht jedoch Gefährdungspotential.
Gerät beispielsweise ein
Finger zwischen die Walzen, so wird dieser verletzt bzw. es ist
nicht mehr möglich,
sich bei Gefahr von der Gefahr auslösenden Maschinenkomponente zu
entfernen.
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Um
dieses Gefährdungspotential
sicher beherrschen zu können,
muss zusätzlich
zur sicheren Geschwindigkeitsbegrenzung eine sichere Momentenbegrenzung
wirksam sein. Das Drehmoment wird dahingehend begrenzt, dass beim
Eindringen des Fingers zwischen die Walzen, die Walzen nur so viel Moment
aufbringen, bei dem noch keine Verletzungsgefahr besteht bzw. das
Gegenmoment des Fingers die Walzen zum Stillstand bringt.
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Derzeit
werden zur Drehmomentbegrenzung Rutschkupplungen, Sollbruchstellen
oder Drehmomentsensoren eingesetzt. Neben diesen verwendeten Elementen
kann der Drehstrommotor mit einer entsprechend hohen Stillstandszeit
stillgesetzt werden.
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Aus
der
EP 1 248 342 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer permanent erregten
feldorientiert betriebenen Synchronmaschine im Fehlerfall bekannt.
Gemäß diesem
Verfahren werden im Fehlerfall die in Abhängigkeit eines Momenten-Sollwertes
und einer ermittelten Kreisfrequenz erzeugten feldorientierten orthogonalen Stromkomponenten-Sollwerte von einer
zweikanaligen Stromregelung getrennt. Anstelle dieser Stromkomponenten-Sollwerte
werden Stromkomponenten eines Fehlerprozessors als Sollwerte der
zweikanaligen Stromregelung zugeführt. Dabei wird die drehmomentbildende
Stromkomponente vom Fehlerprozessor derart vorgegeben, dass jeder
positive Wert dieser Stromkomponente auf einen kleinen Wert oder auf
einen Wert Null begrenzt wird. Dadurch wird auch ein Motormoment
der permanent erregten feldorientiert betriebenen Synchronmaschine
begrenzt.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Drehmomentbegrenzung
sicher auszuführen und
in die funktionale Maschinensteuerung zu integrieren.
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Diese
Aufgabe wird einerseits erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1 (Verfahren) oder des Anspruchs 2 (Verfahren) und andererseits
erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 8 (Vorrichtung) oder Anspruch 9 (Vorrichtung)
gelöst.
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Maßgeblich
für das
Drehmoment eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten
Drehstrommotors ist die drehmomentbildende Stromkomponente der beiden
orthogonalen feldorientierten Stromkomponenten eines Ständerstrom-Raumzeigers.
Diese wird mittels einer zweikanaligen Rechnerstruktur berechnet,
mittels eines kreuzweisen Datenvergleichs miteinander verglichen
und bei Überschreitung
eines vorbestimmten Grenz wertes wird der Drehstrommotor ebenfalls
zweikanalig mittels einer sicheren Impulssperre drehmomentenfrei
geschaltet.
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Die
zweikanalige Berechnung der drehmomentbildenden Stromkomponente
eines feldorientierten Ständerstrom-Raumzeigers
ist nur dann sicher im Sinne der Berufsgenossenschaften und der berufsgenossenschaftlichen
Institute für
Arbeitssicherheit, wenn ein Ständerstrom-Istraumzeiger
sicher ermittelt wird und mittels eines sicher erzeugten Rotorlagewinkels
in einem feldorientierten Ständerstrom-Istraumzeiger
transformiert wird. Dazu wird der Rotor-Lagewinkel zweikanalig ermittelt.
Für die sichere
Ermittlung eines Ständerstrom-Istraumzeigers
werden die Phasenströme
des Drehstrommotors erfasst und zweikanalig jeweils ein Summenstromsignal
gebildet und auf einen Summenwert Null überprüft.
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Durch
dieses erfindungsgemäße Verfahren wird
ein Drehmoment eines feldorientiert betriebenen, umrichtergespeisten
Drehstrommotors sicher begrenzt.
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Ein
zweites erfindungsgemäßes Verfahren zur
sicheren Drehmomentbegrenzung eines feldorientiert betriebenen,
umrichtergespeisten Drehstrommotors unterscheidet sich vom ersten
erfindungsgemäßen Verfahren
dadurch, dass ein gebildetes Summenstromsignal einkanalig auf den
Summenwert Null überprüft wird
und dass ein bei einer zahlenmäßigen Aufbereitung
ermittelter Phasenströme
auftretender Normierfehler ermittelt wird. Ein derartiges Verfahren
ist kostengünstiger
zu realisieren, ohne dabei die Kriterien für eine sichere Drehmomentbegrenzung
nicht mehr erfüllen
zu können.
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Eine
erste Vorrichtung zur Durchführung
des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens
zur sicheren Drehmomentbegrenzung weist zwei Mikroprozessorsysteme
auf, denen jeweils ein Rotorlagewinkel und gemessene Phasenströme des Drehstrommotors
zugeführt
werden. Jedes Mikroprozessorsystem weist eine Koordinatentransformations-Einrichtung,
eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung, eine Grenzüberwachung
und eine Impuls löscheinrichtung
auf. Datentechnisch verbunden sind diese beiden Mikroprozessorsysteme
mittels einer Kommunikations-Einrichtung.
Somit ist diese erste Vorrichtung durchgehend für die sichere Drehmomentbegrenzung
zweikanalig aufgebaut.
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Soll
aus Kostengründen
nur eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung eingesetzt werden
oder steht in einem bestehenden Antriebssystem nur eine Sensor-Aufbereitungseinrichtung
zur Verfügung, weist
die zweite Vorrichtung eine Einrichtung zur Erfassung eines Normierfehlers
auf. Dadurch ist diese Vorrichtung gegenüber der ersten Vorrichtung
kostengünstiger,
ohne die Kriterien für
eine sichere Drehmomentbegrenzung zu verletzen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens sind
den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen
einer Vorrichtung zur Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur sicheren Drehmomentbegrenzung schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt
ein Funktionsprinzip eines drehzahlveränderbaren Drehstromantriebs,
in der
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2 ist
ein Ersatzschaltbild einer Antriebsregelung eines drehzahlveränderbaren
Drehstromantriebs nach 1 dargestellt, die
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3 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer ersten Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur sicheren Drehmomentbegrenzung, wobei in der
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4 ein
Ersatzschaltbild einer zweiten Vorrichtung veranschaulicht ist,
die
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5 zeigt
ein Funktionsprinzip einer ersten Ausführungsform einer Einrichtung
zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers und in der
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6 ist
ein Funktionsprinzip einer zweiten Ausführungsform einer Einrichtung
zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers dargestellt.
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In
der Darstellung des Funktionsprinzips eines drehzahlveränderbaren
Drehstromantriebs gemäß 1 sind
mit 2 ein netzseitiger Stromrichter, mit 4 ein
lastseitiger Stromrichter, mit 6 ein Drehstrommotor, mit 8 eine
Lageerfassungs-Einrichtung, mit 10, 12, 14 jeweils
eine Stromerfassungs-Einrichtung, mit 16 eine Antriebsregelung
und mit 18 ein Zwischenkreiskondensator bezeichnet. In
diesem Funktionsprinzip sind ebenfalls Stromerfassungs-Einrichtungen 20, 22 und 24 dargestellt,
mit denen Netzphasenströme
iL1, iL2, iL3 eines speisenden Netzes erfasst werden,
und eine Stromerfassungs-Einrichtung 26,
mit der ein Zwischenkreisstrom iZK erfasst
wird. Als netzseitiger Stromrichter 2 kann ein Diodengleichrichter
oder ein rückspeisefähiger Stromrichter,
beispielsweise ein selbstgeführter Pulsstromrichter,
vorgesehen sein.
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Wird
netzseitig ein selbstgeführter
Pulsstromrichter verwendet, der auch als Active-Front-End (AFE)
bezeichnet wird, so werden die netzseitigen Stromerfassungs-Einrichtungen 20, 22 und 24 benötigt. Diese
entfallen, wenn netzseitig ein Diodengleichrichter verwendet wird.
Als lastseitiger Stromrichter 4 wird ein selbstgeführter Pulsstromrichter
verwendet, der auch als Wechselrichter bezeichnet wird, da der lastseitige
Stromrichter überwiegend Leistung
zum Drehstrommotor 6 führt.
Diese beiden Stromrichter 2 und 4 sind gleichspannungsseitig
mittels des Zwischenkreiskondensators 18 elektrisch leitend
verbunden. Für
einen dynamischen Antrieb wird eine Lageerfassungs-Einrichtung 8 benötigt, aus dessen
Lagewinkel λS mittels Differenziation ein Drehzahl-Istwert
n erzeugt wird. Damit der lastseitige Stromrichter 4 bzw.
unter Umständen
auch der netzseitige Stromrichter 2 angesteuert werden
können, sind
der Antriebsregelung 16 die Motorphasenströmen iR, iS und iT, auch als Umrichterausgangsströme bezeichnet,
der Lagewinkel λS, eine Zwischenkreisspannung UZK und
ein Zwischenkreisstrom iZK zugeführt. Aus
diesen Messwerten und vorbestimmten Sollwerten n* für die Drehzahl
und/oder m* für das Drehmoment berechnet
diese Antriebsregelung 16 in Abhängigkeit von Motorparametern
zumindest Ansteuersignale A1, A2 und A3 für den lastseitigen Stromrichter 4.
Die Baueinheiten 2, 4, 10, 12, 14, 16 und 18 bilden
einen Umrichter, insbesondere einen Spannungszwischenkreis-Um-richter,
der im Handel auch als Frequenzumrichter bezeichnet wird.
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In
der 2 ist beispielhaft eine Ausführungsform der Antriebsregelung 16 des
Drehstromantriebs gemäß 1 schematisch
dargestellt. Diese Antriebsregelung 16 ist eine feldorientierte
Regelung. Diese feldorientierte Regelung weist eine Koordinatentransformations-Einrichtung 28,
eine unterlagerte Stromregeleinrichtung 30 und einen Drehzahlregler 32 auf.
Außerdem
weist diese Antriebsregelung 16 einen Differenzierer 34,
einen Vergleicher 36 und einen Modulator 38 auf.
Die Ausgänge
der Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 sind
jeweils mittels eines Normierungsfaktors K1, K2 und K3 mit der Koordinatentransformations-Einrichtung 28 verknüpft.
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Diese
Koordinatentransformations-Einrichtung 28 ist ebenfalls
mit einem Ausgang der Lageerfassungs-Einrichtung 8 verknüpft, der
ebenfalls mit einem Eingang des Differenzierers 34 verbunden
ist. Ausgangsseitig ist dieser Differenzierer 34 mit einem negativen
Eingang des Vergleichers 36 verknüpft. Am positiven Eingang dieses
Vergleichers 36 steht ein vorbestimmter Drehzahl-Sollwert
n* an. Ausgangsseitig ist dieser Vergleicher 36 mit
dem Drehzahlregler 32 verbunden, dessen Ausgang mittels
eines Begrenzers 40 mit einem Eingang der unterlagerten
Stromregeleinrichtung 30 verbunden ist.
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Die
Ausgangsgröße des Drehzahlreglers 32 ist
eine feldorientierte Stromkomponente i2,
die dem Drehmoment m des Drehstrommotors 6 proportional ist.
Aus diesem Grund wird diese Stromkomponente i2 auch
als drehmomentbildende Stromkomponente i2 bezeichnet.
Eine zweite feldorientierte Stromkomponente i1 ist
einem Fluss in dem Drehstrommotor 6 proportional. Deswegen
wird diese Stromkomponente als flussbildende Stromkomponente i1 bezeichnet. Diese beiden Stromkomponenten
i1 und i2 sind rechtwinklig
zueinander angeordnet. Da diese beiden orthogonalen feldorientierten
Stromkomponenten i1 und i2 eines
feldorientierten Ständerstrom-Raumzeigers
der unterlagerten Stromregeleinrichtung 30 zugeführt werden,
handelt es sich hier um Sollwerte i * / 1 und i * / 2. Diese unterlagerte Stromregeleinrichtung 30 erhält von der
Koordinatentransformations-Einrichtung 28 zwei
Stromkomponenten-Istwerte i1 und i2. Da zwei Stromkomponenten i1 und
i2 geregelt werden sollen, weist diese unterlagerte
Stromregeleinrichtung 30 zwei Stromregler auf.
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An
den Ausgängen
eines jeden Stromreglers steht eine feldorientierte Ständerspannungs-Komponente
an, aus denen mittels einer zweiten Koordinatentransformations-Einrichtung
und des Lagewinkels λS ständerorientierte
Phasenspannungen u * / R, u * / S und u * / T als Stellspannung generiert werden.
Aus diesen Phasenspannungen u * / R, u * / S und u * / T werden mittels des Modulators 38 An steuersignale
A1, A2 und A3 für den
lastseitigen Stromrichter 4 generiert.
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Ein
Drehzahl-Istwert n für
den Drehzahlregler 32 wird durch zeitliche Ableitung des
ermittelten Lagewinkels λS ermittelt. Diese zeitliche Ableitung wird
im Differenzierer 34 ausgeführt.
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Als
flussbildender Stromkomponenten-Sollwert i * / 1 wird in dieser Ausführungsform
der Antriebsregelung 16 der Werte Null der unterlagerten
Stromregeleinrichtung 30 zugeführt. Daraus kann geschlossen
werden, dass als Drehstrommotor 6 ein permanenterregter
Synchronmotor vorgesehen ist. Bei einem Asynchronmotor ist dieser
Stromkomponenten-Sollwert i * / 1 entsprechend einem vorbestimmten Flusswert
vorgegeben.
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Bei
im Handel erhältlichen
Antriebsregelungen 16 eines Umrichters wird dieser als
Mikroprozessorsystem μC1
ausgeführt.
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In
der 3 ist eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Drehmomentbegrenzung schematisch dargestellt. Diese Vorrichtung
weist neben der Antriebsregelung 16 (Mikroprozessorsystem μC1) ein zweites
Mikroprozessorsystem μC2
auf. Dieses Mikroprozessorsystem μC2
ist vorteilhafterweise bereits im Umrichter vorhanden. Ein zweites Mikroprozessorsystem μC2 wird bevorzugt
für die Kommunikation
Mensch – Maschine
vorgesehen. Diese beiden Mikroprozessorsysteme μC1 und μC2 sind mittels einer Kommunikations-Einrichtung 42 datentechnisch
miteinander verbunden. Mittels dieser Kommunikations-Einrichtung 42,
insbesondere einem Bussystem, wird ein kreuzweiser Datenvergleich
ausgeführt.
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Dieses
Mikroprozessorsystem μC1
unterscheidet sich vom Mikroprozessorsystem μC1 der 2 dadurch,
dass zusätzlich
eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44, eine Grenzüberwachung 46 und
eine Impulslöscheinrichtung 48 vorgesehen
sind. Das Mikroprozessorsystem μC2
weist neben einer Koordinaten transformations-Einrichtung 50 ebenfalls
eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 52,
eine Grenzüberwachung 54 und
eine Impulslöscheinrichtung 56 auf.
Die Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 sind
jeweils mittels ihrer Normierungsfaktoren K1, K2 und K3 mit Eingängen der
Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 des
ersten Mikroprozessorsystems μC1
und mit Eingängen
der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 52 des zweiten
Mikroprozessorsystems μC2 elektrisch
leitend verbunden. Diese beiden Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtungen 44 und 52 weisen ebenfalls
Normierungsfaktoren V11, V21,
V31 und V12, V22, V32 auf. Ausgangsseitig
ist jede Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 und 52 mit
einer korrespondierenden Koordinatentransformations-Einrichtung 28 und 50 verknüpft. Diese
Koordinatentransformations-Einrichtungen 28 und 50 sind
jeweils mit einem Ausgang 58 und 60 mit einer
korrespondierenden Grenzüberwachung 46 und 54 verbunden.
An diesen Ausgängen 58 und 60 steht
jeweils ein drehmomentbildende Stromkomponente i μC1 / 2 und i μC2 / 2 an, die mittels
der Grenzüberwachung 46 und 54 mit
einem vorbestimmten Grenzwert i μC1 / 2G und i μC2 / 2G für diese drehmomentbildende
Stromkomponente i μC1 / 2 und i μC2 / 2 verglichen werden. Ausgangsseitig sind diesen
beiden Grenzüberwachungen 46 und 54 jeweils
mit einer korrespondierenden Impulslöscheinrichtung 48 und 56 verbunden.
Sobald eine berechnete drehmomentbildende Stromkomponente i μC1 / 2 bzw.
i μC2 / 2 den vorbestimmten Grenzwert i μC1 / 2G bzw. i μC2 / 2G übersteigt, wird ein Impulslöschsignal
SIPL1. bzw. SIPL2 generiert. Mit
diesem Impulslöschsignal
SIPL1 bzw. SIPL2 wird
die Impulslöscheinrichtung 48 bzw. 56 direkt
angesteuert und die Impulslöscheinrichtung 56 bzw. 48 mittels
der Kommunikations-Einrichtung 42 indirekt
angesteuert. Dadurch wird der lastseitige Stromrichter 4 zweikanalig
gesperrt. Das heißt,
der lastseitige Stromrichter 4 wird mittels der Sicherheitsfunktion "sicherer Halt" gesperrt.
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Damit
die drehmomentbildende Stromkomponente i2 sicher
berechnet werden kann, wird diese jeweils mittels eines Mikroprozessorsystems μC1 und μC2 unabhängig voneinander
berechnet. Dazu werden jedem Mikroprozessorsystem μC1 und μC2 die gemessenen
Phasenströme
iR, iS und iT des Drehstrommotors 6 zugeführt, die
unabhängig
voneinander aufbereitet werden. Aus diesen aufbereiteten Phasenströmen berechnet
jedes Mikroprozessorsystem μC1
und μC2
in Abhängigkeit
eines sicher ermittelten Lagewinkels λ A / S und λ B / S eine drehmomentbildende Stromkomponente
i μC1 / 2 und i μC2 / 2 Diese sicheren Lagewinkel λ A / S und λ B / S werden aus zwei Gebersignalen sin α und cos α in Abhängigkeit
einer zweikanaligen Auswerteeinrichtung generiert.
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Für eine durchgehende
echte Zweikanaligkeit müssten
an Stelle von drei Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 sechs
Stromerfassungs-Einrichtungen vorgesehen sein. Dies ist weder praktikabel
noch wirtschaftlich vertretbar.
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Damit
die Phasenströme
iR, iS und iT als zweikanalig erfasst gelten, wird in
jedem Mikroprozessorsystem μC1
und μC2
eine Plausibilitätskontrolle durchgeführt. Dazu
wird in jedem Mikroprozessorsystem μC1 und μC2 jeweils ein Summenstrom aus den
gemessenen Phasenströmen
iR, iS und iT berechnet. Jedes Mikroprozessorsystem μC1 und μC2 prüft für sich,
ob der Wert des Summenstromes gleich Null ist. Diese Bedingung muss
bei ordnungsgemäßem Betrieb
immer erfüllt
sein (kein Mittelpunktanschluss der Motorenwicklung; kein Erdschluss).
Wird diese Bedingung erfüllt,
so sind die Phasenströme
iR, iS und iT zweikanalig ermittelt. Wird diese Bedingung
nicht erfüllt,
wird der lastseitige Stromrichter 4 mittels der Sicherheitsfunktion "sicherer Halt" drehmomentfrei geschaltet.
Der lastseitige Stromrichter 4 wird ebenfalls mittels der
Sicherheitsfunktion "sicherer
Halt" drehmomentfrei
geschaltet, wenn der kreuzweise Datenvergleich ergibt, dass die
unabhängig
voneinander erzeugten drehmomentbildenden Stromkomponenten i μC1 / 2 und
i μC2 / 2 der beiden Mikroprozessorsysteme μC1 und μC2 nicht gleich sind. Mittels
des kreuzweisen Datenvergleiches werden Fehler in den Elementen 8, 44, 52, 28 und 50 aufgedeckt.
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In
der 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung
zur Durchführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Drehmomentbegrenzung schematisch dargestellt. Diese Ausfüh rungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
der 3 dadurch, dass das Mikroprozessorsystem μC2 keine Sensorsignal-Aufbereitseinrichtung 52 mehr
aufweist. Dafür
weist das Mikroprozessorsystem μC1 eine
Einrichtung zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers
auf. Da diese Einrichtung unterschiedlich ausgeführt werden kann, ist in dieser
Darstellung auf diese Einrichtung verzichtet worden. In den 5 und 6 sind
jeweils eine Ausführungsform
einer derartigen Einrichtung schematisch veranschaulicht. Durch
die Einsparung einer Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 52 ist
die zweite Ausführungsform
kostengünstiger.
Es gibt jedoch auch Antriebssysteme, in denen nur eine Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung
zur Verfügung
steht. Auch derartige Antriebssysteme können mit einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Drehmomentbegrenzung ausgestattet werden.
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Die
Normierungsfaktoren K1, K2 und K3 (wie viel Strom ergibt welchen
Zahlenwert für
das System) ändern
sich gleichzeitig um einen gleichen Wert. Dieser Fehler wird als
Gleichzeitigkeits-Normierfehler bezeichnet. Die Wahrscheinlichkeit
für einen
derartigen Gleichzeitigkeits-Normierfehler wird als gering angenommen.
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Soll
ein Gleichzeitigkeits-Normierfehler der Normierungsfaktoren K1,
K2 und K3 der Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 und/oder
der Normierungsfaktoren V11, V21 und
V31 der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 trotzdem
aufgedeckt werden, dessen Wahrscheinlichkeit gegenüber einem
Gleichzeitigkeits-Normierfehler der Normierungsfaktoren K1, K2 und
K3 der Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 wesentlich
höher ist,
so sind folgende Schritte vor Beginn eines drehmomentüberwachten
Betriebs denkbar:
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Wenn
die Motordaten, vorzugsweise der Ständerwiderstand des Motors,
bekannt ist, kann im geöffneten
Strom- und Drehzahlregelkreis eine bestimmte Spannung vorgegeben
werden. Dadurch muss sich bei bekanntem Ständerwiderstand ein entsprechender
Strom einstellen. Um zu vermeiden, dass bei diesem Vorgang ein Drehmoment
erzeugt werden kann, wodurch eine Bewegung einer Motorwelle erfolgen
kann, wird die Spannung bzw. der Winkel des Spannungszeigers derart
vorgegeben, dass sich nur eine feldbildende Stromkomponente aufbauen
kann. Stellt sich dieser nicht ein, liegt ein Gleichzeitigkeits-Normierfehler
der Normierungsfaktoren K1, K2 und K3 der Stromerfassungs-Einrichtungen 10, 12 und 14 und/oder
der Normierungsfaktoren V11, V21 und
V31 der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 vor.
Dieser Fehler kann mit Hilfe von Netzphasenströmen iL1.
iL2 und iL3 oder
des Zwischenkreisstromes iZK verifiziert
werden. Gleichzeitigkeits-Normierfehler, die während des drehmomentüberwachten
Betriebs auftreten, werden jedoch dadurch nicht erkannt.
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In
der 5 ist eine erste Ausführungsform einer Einrichtung
zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers während des
drehmomentüberwachten
Betriebes, verursacht durch die Normierungsfaktoren V11,
V21 und V31 der
Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44,
schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform weist diese Einrichtung
einen Umschalter 62 und eine Einrichtung 64 zur
Erwartungshaltungs-Überprüfung auf.
An einem ersten Eingang dieses Umschalters 62 ist beispielsweise
die Stromerfassungs-Einrichtung 10, an der der Phasenstrom
iR ansteht, und am zweiten Eingang dieses
Umschalters 62 eine Einrichtung zum Generieren eines Testsignals
iTest angeschlossen. Die Einrichtung 64 zur
Erwartungshaltungs-Überprüfung ist
eingangsseitig mit dem Ausgang der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 verknüpft, an
der ein aufbereitetes Testsignal iTestA ansteht.
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Bei
der Stromregelung der feldorientierten Regelung der Antriebsregelung 16 werden
jeweils abwechselnd alle drei Phasenströme iR,
iS und iT bzw. nur
zwei Phasenströme
iR, iS bzw. iS, iT bzw. iT, iR verwendet.
Wann welche Phasenströme
verwendet werden, ist dem Mikroprozessorsystem μC1 bekannt. Wenn gerade nur
zwei Phasenströme
iS und iT verwendet
werden, so kann der entsprechende Teil der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 der
nicht benutzten Phase, hier also die Phase R, mit einem Testsignal
iTest zur Überprüfung des Normierungsfaktors
V11 beaufschlagt werden. Das heißt, der
Umschalter 62 wird betätigt,
wodurch nun ein generiertes Testsignal iTest am
Eingang der Phase R der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 ansteht.
Da dem Mikroprozessorsystem μC1
der Amplitudenwert des Testsignals iTest bekannt
ist, kennt dieser auch den wahren Wert des aufbereiteten Testsignals
iTestAW (Erwartungshaltung). Mittels der
Einrichtung 64 kann diese Erwartungshaltung überprüft werden.
Dazu muss lediglich das aufbereitete Testsignal iTestA mit der
Erwartungshaltung iTestAW verglichen werden.
Bei Ungleichheit liegt ein Normierungsfehler des Normierungsfaktors
V11 vor und ein Impulslöschsignal SIPL1 wird
generiert, um den Drehstrommotor 6 zweikanalig drehmomentfrei
schalten zu können.
Da die Normierungsfaktoren V11, V21 und V31 gemäß der Definition
des Gleichzeitigkeits-Normierfehlers
sich gleichzeitig um den gleichen Wert in der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 ändern, kann
dieser Gleichzeitigkeits-Normierfehler mit der Überprüfung eines Normierungsfaktors
V11 bzw. V21 bzw.
V31 ermittelt werden.
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In
der 6 ist eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung
zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers während des
drehmomentüberwachten
Betriebes, verursacht durch die Normierungsfaktoren V11,
V21 und V31 der
Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44,
schematisch veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform wird wieder eine
zweite Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 66 benötigt, die
jedoch nur einen Phasenstrom aufbereitet. Deshalb ist diese Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 66 gegenüber der
Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 52 des
Mikroprozessorsystems μC2
erheblich einfacher aufgebaut, die auch ohne großen Aufwand nachträglich in
einen im Handel erhältlichen
Umrichter integriert werden kann. Diese "abgespeckte" Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 66 weist
nur einen Normierungsfaktor V12 auf. Gemäß dieser
Ausführungsform
der Einrichtung zur Erfassung eines Gleichzeitigkeits-Normierfehlers werden
die Ausgänge
der Stromerfassungs-Einrichtung 10, 12 und 14,
an denen die Phasenströme
iR, iS und iT anstehen, der Normierungsfakto ren V11, V21 und V31 der Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 44 des
ersten Mikroprozessorsystems μC1
der Antriebsregelung 16 zugeführt. Eine Stromerfassungs-Einrichtung 10 bzw. 12 bzw. 14 ist
außerdem mit
dem Normierungsfaktor V12 der "abgespeckten" Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtung 66 des
zweiten Mikroprozessorsystems μC2
verknüpft.
Bei der dargestellten Ausführungsform
handelt es sich um die Phase R. Diese beiden aufbereiteten Phasenströme iRA1 und iRA2 werden
mittels einer Einrichtung 68 auf Gleichheit überprüft. Liegt
keine Gleichheit vor, generiert diese Einrichtung 68 ein
Impulslöschsignal iIPL1, mit dem der Drehstrommotor 6 zweikanalig
drehmomentfrei geschaltet wird.
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Mittels
diesem erfindungsgemäßen Verfahren
zur sicheren Drehmomentbegrenzung sind die bekannten Sicherheitsfunktionen
um eine weitere Sicherheitsfunktion, nämlich die Funktion "sichere Momentenbegrenzung" erweitert worden,
die in handelsübliche
Umrichtergeräte
integriert werden kann, unabhängig
davon, ob die Antriebsregelung des Umrichtergerätes eine oder zwei Sensorsignal-Aufbereitungseinrichtungen
aufweist.