DE102009038060A1

DE102009038060A1 - Verfahren und Vorrichtung zur sicheren Überwachung einer Drehzahl durchziehender Lasten

Info

Publication number: DE102009038060A1
Application number: DE102009038060A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Eckardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-03-03
Also published as: DE102009038060A8

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sicheren Überwachung einer ermittelten Rotorfrequenz (f) eines eine durchziehende Last antreibenden Motors (2) mit einem Geber (28). Erfindungsgemäß wird aus Signalen, die proportional zur Klemmenspannung des Motors (2) sind, eine Statorfrequenz (f) zurückgewonnen, wobei diese und eine gemessene Rotorfrequenz (f) auf Plausibilität an zwei von einander unabhängigen Stellen geprüft werden, wobei jeweils ein Abschaltsignal (S, S) generiert wird, sobald die Plausibilität nicht gegeben ist. Somit erhält man ein Verfahren zur sicheren Überwachung einer Rotorfrequenz (f) bei durchziehenden Lasten, wobei nur ein Einfachgeber (28) benötigt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sicheren Überwachung einer ermittelten Drehzahl eines eine durchziehende Last antreibenden Motors mit einem Geber und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Aus der DE 101 63 010 B4 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur sicheren Überwachung einer Drehzahl einer elektrischen Maschine bekannt. Dabei ist ”sicher” im Sinne der 1-Fehler-Sicherheit zu verstehen. Anhand der 1 wird das bekannte Verfahren erläutert:
In der 1 sind mit 2 ein Motor, mit 4 ein lastseitiger Stromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, mit 6 eine Stromerfassungs-Einrichtung, mit 8 eine Bremse, mit 10 ein Modulator, insbesondere ein Pulsweitenmodulator, mit 12 eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Statorfrequenz f₁₂ und mit 14 und 16 ein erster und ein zweiter Prozessor bezeichnet. Der Motor 2, insbesondere ein Drehstrom-Asynchronmotor, ist ständerseitig mit Ausgängen des lastseitigen Stromrichters 4 verbunden, wobei die Stromerfassungs-Einrichtung 6 in Leitungen zwischen lastseitigem Stromrichter 4 und Motor 2 angeordnet ist. Diese Stromerfassungs-Einrichtung 6 kann auch direkt an zwei Ausgängen des lastseitigen Stromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters angeschlossen sein, wodurch diese im Stromrichtergerät untergebracht wäre. Der erste Prozessor 14 weist eine Motorregelung 18 auf, die einen Beobachter 20 beinhaltet. Mittels der Motorregelung 18 wird der reguläre Regelungsalgorithmus abarbeitet, wobei der Beobachter 20 aus gemessenen Stromistwerten i_R,S eine Statorfrequenz f₁₁ des umrichtergespeisten Motors 2 berechnet. Diese geschätzte Motorfrequenz f₁₁ wird einerseits einem Vergleicher 22 dieses Prozessors 14 und einem Vergleicher 24 des zweiten Prozessors 16 zugeführt. Dieser Vergleicher 24 des zweiten Prozessors 16 ist mit einem Ausgang der Vorrichtung 12 zur Bestimmung einer Statorfrequenz f₁₂ elektrisch leitend verbunden. Diese Vorrichtung 12 kann entsprechend der GB 24 36 874 A1 aufgebaut sein. Mittels dieser Vorrichtung 12, die eingangsseitig mit Ausgängen des Modulators 10 verknüpft ist, gelangen Ansteuersignale des lastseitigen Stromrichters 4 zur Vorrichtung 12. Aus diesen Ansteuersignalen des lastseitigen Stromrichters 4 wird eine Statorfrequenz f₁₂ der am Motor 2 angelegten Spannung zurückgewonnen. Wegen dieser Funktion wird diese Vorrichtung 12 zur Bestimmung einer Statorfrequenz f₁₂ auch als Filter bezeichnet. Diese Messung ist unabhängig von der Strommessung, die in dem Beobachter 20 der Motorregelung 18 eingespeist wird. Die Messsignale sind daher diversitär, was einen hohen SIL-Wert (Safety-Integrity-Level) ermöglicht.
Die vom Beobachter 20 aus Strommesswerten i_R,S geschätzte Statorfrequenz f₁₁ wird mittels des Vergleichers 24 des zweiten Prozessors 16 mit der aus den Ansteuersignalen abgeleiteten Statorfrequenz f₁₂ verglichen, wobei gleichzeitig diese Statorfrequenz f₁₂ mittels des Vergleichers 22 des ersten Prozessors 14 mit der geschätzten Statorfrequenz f₁₁ verglichen wird. Mit diesem Kreuzvergleich, der in zwei mittels einer Kommunikations-Einrichtung 30 signaltechnisch verknüpften unabhängigen Prozessoren 14 und 16 abläuft, werden diese Statorfrequenzen f₁₁ und f₁₂ auf Plausibilität überprüft. Sind diese beiden Statorfrequenzen f₁₁ und f₁₂ nicht plausibel, so generiert jeder Prozessor 14 und 16 ein Abschaltsignal S_F1 und S_F2. Diese Abschaltsignale S_F1 und S_F2 werden gemäß dieser Ausführungsform jeweils einem Eingang eines ODER-Gatters 26 zugeführt. Ausgangsseitig ist dieses ODER-Gatter 26 mit der Bremse 8 verbunden, die aufgrund dieser Abschaltsignale S_F1 und S_F2 einfällt. Mit diesem bekannten Verfahren wird eine Drehzahl eines stromrichtergespeisten Motors 2 sicher überwacht.
Bei durchziehenden Lasten ist jedoch nicht die Statorfrequenz die eigentlich zu überwachende Frequenz, sondern die Rotorfrequenz des stromrichtergespeisten Motors, und damit die Motor-Drehzahl. Solange der stromrichtergespeiste Motor eine Maschine nur antreibt, ist die Rotorfrequenz stets kleiner oder gleich der Statorfrequenz. Durch die Überwachung der Statorfrequenz ist man bei der Überwachung der Rotorfrequenz immer auf der sicheren Seite. Im Betrieb ”Treiben” kann somit geberlos gearbeitet werden.
Sobald jedoch der Motor eine durchziehende Last definitiv absenken soll, ist die Rotorfrequenz höher als die Statorfrequenz, wenn als Motor ein Asynchronmotor vorgesehen ist. Erschwerend kommt hinzu, dass ein Fehler im Motor oder in dessen Zuleitungen nicht erkannt wird und eine Last dadurch unkontrolliert abstürzen kann. Ein solcher Betriebszustand ist nur mit einem Geber beherrschbar. Im geberlosen Betrieb ist deshalb dieser Betriebsfall verboten.
Bei geberbehafteten Antriebssystemen mit durchziehenden Lasten werden daher Geber benötigt, die wenigstens zwei Spuren aufweisen müssen, weil die Vorrichtung zur Bestimmung einer Statorfrequenz der Vorrichtung zur sicheren Überwachung einer Drehzahl eines stromrichtergespeisten Motors gemäß 1 zweikanalig ausgeführt sein muss. Aus diesem Grund muss die Funktion des Gebers auch überwacht werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur sicheren Überwachung einer Drehzahl eines eine durchziehende Last antreibenden Motors anzugeben, wodurch nur noch ein einfacher Geber verwendet werden muss.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden eine ermittelte Stator- und eine gemessene Rotorfrequenz mittels eines Kreuzvergleichs zwei Mal unabhängig voneinander auf Plausibilität geprüft. Werden diese Plausibilitäten nicht erfüllt, so werden Abschaltsignale generiert, die zur Stillsetzung des Motors führen. Dieses erfindungsgemäße Verfahren kombiniert ein Antriebssystem mit dem bekannten Verfahren zur sicheren Überwachung einer Drehzahl mit einem Antriebssystem, bei dem ein Gebersystem verwendet wird. Durch diese Kombination wird für die Sicherheitsfunktion bei durchziehenden Lasten nur noch ein einfacher Geber benötigt. Somit erhält man ein Antriebssystem, dessen Motor eine durchziehende Last antreibt, die geberlos geregelt werden kann und die Sicherheitsfunktion hinsichtlich der sicheren Überwachung einer Drehzahl erfüllt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des bekannten Verfahrens zur sicheren Überwachung einer Drehzahl und in der
2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung näher dargestellt.
Die Vorrichtung gemäß 2 unterscheidet sich von der bekannten Vorrichtung gemäß 1 dadurch, dass der Motor 2, insbesondere ein Asynchronmotor, mit einem Einfachgeber 28 versehen ist, mit dem die Drehzahl des Motors 2 gemessen wird. Diese Drehzahl ist proportional zur Rotorfrequenz f_r, die dem Beobachter 20 der Motorregelung 18 des ersten Prozessors 14, dem Vergleicher 22 dieses ersten Prozessors 14 und dem Vergleicher 24 des zweiten Prozessors 16 zugeführt ist. Beide Prozessoren 14 und 16 sind mittels der Kommunikations-Einrichtung 30 signaltechnisch miteinander verknüpft. Dem Vergleicher 24 wird, wie bei der Vorrichtung gemäß 1, eine ermittelte Statorfrequenz f₁₂ zugeführt, die aus Ansteuersignalen des lastseitigen Stromrichters 4 zurückgewonnen ist, zugeführt. Diese ermittelte Statorfrequenz f₁₂ wird mittels der Kommunikations-Einrichtung 30 ebenfalls dem Vergleicher 22 des ersten Prozessors 14 zugeführt. Außerdem wird mittels dieser Kommunikations-Einrichtung 30 die gemessene Rotorfrequenz f_r vom ersten Prozessor 14 zum Vergleicher 24 des zweiten Prozessors 16 übermittelt.
Durch die Verwendung zweier Vergleicher 22 und 24, die in zwei unabhängigen Prozessoren 14 und 16 angeordnet sind, und einer Kommunikations-Einrichtung 30, die diese beiden Prozessoren 14 und 16 signaltechnisch miteinander verbindet, findet ein Kreuzvergleich zweier Frequenzen statt.
Der Vergleich der Statorfrequenz f₁₂ mit der Rotorfrequenz f_r muss der Tatsache Rechnung tragen, dass die Statorfrequenz f₁₂ und die Rotorfrequenz f_r sich um einen Nennschlupf s_n unterscheiden können. Dies ist jedoch kein Problem, da der Vergleich ohnehin die Plausibilität prüft und die tatsächlichen festzulegenden Grenzwerte für die maximal zulässige Geschwindigkeit bzw. Rotor-Drehzahl aus der Anlagenkonfiguration abgeleitet werden. Im Falle von generierten Abschaltsignalen S_F1 und S_F2 wird wieder ein Bremssignal generiert, mittels der die Bremse 8 betätigt wird, wodurch der Antrieb zum Stillstand kommt und die Last nicht weiter absackt.
Bei dieser Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, wird der Beobachter 20 nur noch für die Regelung des Motors 2 benötigt. Die Zuführung der gemessenen Rotorfrequenz f_r ist nicht zwingend notwendig, sondern lediglich eine Option. Am Ausgang der Motorregelung 18 steht, wie bei der Vorrichtung gemäß 1, eine Stellgröße u_SR an, aus der mittels des Modulators 10 Ansteuersignale für die Stromrichterventile des lastseitigen Stromrichters 4 generiert werden.
Als Geber 28 wird ein Geber eingesetzt, der nur noch eine Spur benötigt. Vor- und Rückwärtserkennung ist nicht erforderlich, solange es nur um die Sicherheitsfunktion geht. Einfache magnetische Drehgeber sind hierfür besonders geeignet. Durch die Verwendung eines Einfachgebers kann die Vorrichtung gemäß 1, die lediglich für angetriebene Lasten geeignet ist, nun auch für durchziehende Lasten, wie beispielsweise Hebezeuge, bezüglich einer sicheren Überwachung einer Drehzahl, insbesondere einer Rotordrehzahl, eines stromrichtergespeisten Motors eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 10163010 B4 [0002]
GB 2436874 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur sicheren Überwachung einer ermittelten Drehzahl eines eine durchziehende Last antreibenden Motors (2) mit einem Geber (28), wobei aus Signalen, die proportional zur Klemmenspannung des Motors (2) sind, eine Statorfrequenz (f₁₂) des antreibenden Motors (2) zurückgewonnen wird, wobei diese Statorfrequenz (f₁₂) und eine ermittelte Rotorfrequenz (f_r) auf Plausibilität geprüft werden, wobei diese Plausibilitätsprüfung ein zweites Mal unabhängig vom ersten Vergleich aus geführt wird, wobei jeweils ein Abschaltsignal (S_F1, S_F2) generiert wird, sobald die Plausibilitäten nicht erfüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Klemmspannung des Motors (2) proportionales Signal ein Ansteuersignal ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Plausibilitätsprüfung von Statorfrequenz (f₁₂) und ermittelter Rotorfrequenz (f_r) der Nennschlupf (s_n) berücksichtigt wird.
Vorrichtung zur sicheren Überwachung einer ermittelten Drehzahl eines eine durchziehende Last antreibenden Motors (2) mit einem Geber (28) mit zwei Prozessoren (14, 16), die mittels einer Kommunikations-Einrichtung (30) miteinander verknüpft sind, mit einem Modulator (10) und einer Vorrichtung (12) zur Bestimmung einer Statorfrequenz (f₁₂), wobei diese Vorrichtung (12) mit Ausgängen des Modulators (10) verknüpft ist, der eingangsseitig mit dem ersten Prozessor (14) verbunden ist, wobei die Vorrichtung (12) ausgangsseitig mit einem Eingang des zweiten Prozessors (16) verbunden ist, und wobei beide Prozessoren (14, 16) ausgangsseitig mit einem ODER-Gatter (26) verknüpft sind, an dessen Ausgang eine Bremsvorrichtung (8) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (28) ein magnetischer Drehgeber ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber (28) eine Spur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Prozessor (14, 16) einen Vergleicher (22, 24) aufweist.