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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems.
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Es ist bekannt, mittels eines Umrichters einem Elektromotor einen mehrphasigen Wechselstrom zuzuführen und den somit zugeführten Motorstrom zu erfassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit eines Antriebssystems in einfacher Weise zu erhöhen.
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Unter Elektromotor wird auch eine elektrische Maschine verstanden, also auch ein Generator.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Antriebssystem nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems nach den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Antriebssystem sind, dass es zumindest einen einen Elektromotor speisenden Umrichter und einen Sicherheitswächter umfasst,
wobei dem Elektromotor mittels steuerbarer Leistungshalbleiter der Leistungselektronik des Umrichters ein Wechselstrom, insbesondere ein mehrphasiger Strom, zuführbar ist,
wobei in mindestens zwei Phasen des Wechselstroms ein Stromsensor angeordnet ist,
wobei die von den Stromsensoren erfassten Stromwerte auch einer Steuerelektronik des Umrichters zugeführt werden, die gemäß einem Maschinenmodell Ansteuersignale, insbesondere pulsweitenmodulierte Ansteuersignale, für die Leistungshalbleiter erzeugt, insbesondere abhängig von den erfassten Stromwerten,
wobei in der Steuerelektronik Mittel zur Bestimmung eines ersten Modellwertes für eine physikalische Größe vorgesehen sind und die Steuerelektronik mittels elektrischer Leitungen mit einem Sicherheitswächter verbunden ist, so dass der ermittelte erste Modellwert dem Sicherheitswächter zuführbar ist,
wobei die erfassten Stromwerte zusätzlich einem Sicherheitswächter zugeführt werden, der zumindest ein Mittel zur Bestimmung eines zweiten Modellwertes für eine physikalische Größe aufweist,
wobei der Sicherheitswächter Vergleichsmittel umfasst, mit welchen der erste Modellwert mit dem zweiten Modellwert vergleichbar ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein Sicherheitswächter, also eine vom Umrichter separate Komponente, aus den erfassten Strommesswerten Modellwerte bestimmt und somit das Antriebssystem überwachbar ist. Einerseits ist auf diese Weise eine Überwachung des Modellwertes ermöglicht und andererseits ist eine Überwachung der Stromsensoren ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die von den Stromsensoren erfassten Stromwerte auch einer Steuerelektronik des Umrichters zugeführt, die pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für die Leistungshalbleiter erzeugt, insbesondere abhängig von den erfassten Stromwerten. Von Vorteil ist dabei, dass der Umrichter in bekannter Weise aufbaubar ist. Zusätzlich ist nur ein Abschalten der Leistungselektronik durch den Sicherheitswächter zu ermöglichen, beispielsweise also ein durch den Sicherheitswächter bewirkbares Unterbrechen der Stromversorgung der Treiber für die Ansteuersignale der Leistungshalbleiter.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leistungshalbleiter in Halbbrücken angeordnet, insbesondere wobei jede Halbbrücke eine jeweilige Phase des dem Motor zugeführten Wechselstroms speist. Von Vorteil ist dabei, dass durch Abschalten der Leistungshalbleiter auch ein Abschalten des Motors bewirkbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die physikalische Größe ein Drehmoment, insbesondere das vom Motor erzeugte Drehmoment. Von Vorteil ist dabei, dass ein Modellwert für eine fundamentale Größe des Antriebssystems bestimmt wird. Somit ist auch ein belastungsabhängiger Drehmomentverlauf herausgebbar und dadurch eine Diagnose der den Antrieb umfassenden Anlage durchführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der mehrphasige Strom ein Drehstrom, insbesondere wobei der Elektromotor ein Drehstrommotor ist. Von Vorteil ist dabei, dass Strommesswerte in drei Phasen bestimmbar sind und somit das Drehmoment aus verschiedenen Messwertpaaren bestimmbar ist und diese bestimmten Werte miteinander vergleichbar sind. Außerdem ist in der Steuerelektronik ein Wert für Drehmoment im Maschinenmodell bestimmbar. Diese Bestimmung ist in jedem Fall dann notwendig, wenn eine Drehmomentsollwertvorgabe an die Steuerelektronik des Umrichters erfolgen soll.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Sicherheitswächter einen Speicher umfasst zur Abspeicherung eines Wertes für ein kritisches Drehmoment,
wobei der Sicherheitswächter ein Vergleichsmittel aufweist, die einen Vergleich des aus den erfassten Stromwerten bestimmten Modellwertes und/oder des von der Steuerelektronik übermittelten ersten Modellwertes mit dem abgespeicherten Wert für ein kritisches Drehmoment ausführbar machen, und mittels des Vergleichsmittels abhängig vom Ergebnis des Vergleichs ein Abschalten der Leistungselektronik des Umrichters bewirkbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass somit eine Drehmomentbegrenzung ausführbar ist. Denn, wenn ein unzulässig hoher Wert an Drehmoment erreicht wird, wird eine Abschaltung des Antriebssystems ausgeführt. Genauso ist der von der Steuerelektronik bestimmte und übermittelte Modellwert für Drehmoment vergleichbar mit dem abgespeicherten Wert für kritisches Drehmoment. Auf diese Weise ist die Sicherheit weiter erhöhbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Sicherheitswächter einen redundanten und/oder zweikanaligen Aufbau auf, insbesondere zwei separate elektronische Schaltungen, auf, wobei die erfassten Stromwerte beiden Schaltungen zugeführt werden und der jeweils von einer Schaltung bestimmte Modellwert der jeweils anderen zugeführt wird,
wobei mittels jeder der Schaltungen ein Abschalten der Leistungselektronik des Umrichters bewirkbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit mittels Redundanz erhöht ist. Insbesondere sind die Schaltungen diversitär ausführbar und somit die Sicherheit weiter erhöhbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird statt der elektrischen Leitungen zwischen Steuerelektronik und Sicherheitswächter der von der Steuerelektronik bestimmte Modellwert berührungslos übertragen, insbesondere mittels Funkverbindung. Von Vorteil ist dabei, dass elektrische Leitungen einsparbar sind.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems, umfassend zumindest einen einen Elektromotor speisenden Umrichter und einen Sicherheitswächter, sind, dass einem Elektromotor ein mehrphasiger Ausgangsstrom eines Umrichters zugeführt wird,
zumindest in zwei Phasen des Ausgangsstroms jeweils der Strom erfasst wird und die erfassten Stromwerte einer Steuerelektronik des Umrichters zugeführt werden, die gemäß einem Maschinenmodell pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für die Leistungshalbleiter erzeugt,
wobei die erfassten Stromwerte auch einem Sicherheitswächter zugeführt werden, in welchem ein Modellwert für eine physikalische Größe bestimmt wird,
wobei im Maschinenmodell der Steuerelektronik ein erster Modellwert für die physikalische Größe bestimmt wird und der erste Modellwert dem Sicherheitswächter zugeführt wird,
wobei mindestens zwei der erfassten Stromwerte auch dem Sicherheitswächter zugeführt werden, in welchem ein zweiter Modellwert für die physikalische Größe ausgeführt wird,
wobei der erste Modellwert mit dem zweiten Modellwert verglichen wird und bei Überschreiten einer zulässigen Abweichung, insbesondere zwischen den beiden Modellwerten, eine Aktion ausgelöst wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein Modellwert in vom Umrichter unabhängiger Weise bestimmbar ist und somit die verschieden bestimmten Werte vergleichbar sind. Eine die Sicherheit erhöhende Aktion ist abhängig vom Ergebnis ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der erste, zweite und/oder dritte Modellwert mit einem kritischen Wert, insbesondere einem Wert für ein kritisches Drehmoment, verglichen und bei Abweichungen, die ein zulässiges Maß überschreiten, wird vom Sicherheitswächter ein Abschalten der Leistungselektronik bewirkt. Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit erhöhbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden dem Sicherheitswächter mindestens Strommesswerte aus drei Phasen des Ausgangsstroms zugeführt
und der Sicherheitswächter
- – den zweiten Modellwert für die physikalische Größe aus dem Strommesswert, der einer ersten Phase zugeordnet ist, und dem Strommesswert, der einer zweiten Phase zugeordnet ist, bestimmt,
- – einen dritten Modellwert für die physikalische Größe aus dem Strommesswert, der der ersten Phase zugeordnet ist, und dem Strommesswert, der einer dritten Phase zugeordnet ist, bestimmt
- – und den dritten und zweiten Modellwert vergleicht und bei Abweichungen, die ein zulässiges Maß überschreiten, eine Aktion auslöst.
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Von Vorteil ist dabei, dass mehr Strommesswerte als für eine einzige Modellwertbestimmung notwendig dem Sicherheitswächter zugeführt werden. Somit ist die Sicherheit weiter erhöhbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der zweite und dritte jeweilige Modellwert berechnet, indem aus den beiden jeweils verwendeten Strommesswerten ein Betrag des Motorstromraumzeigers ermittelt wird, insbesondere wobei dieser mit einem Faktor multipliziert wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine Bestimmung des Drehmomentmodellwertes in einfacher Weise ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Wert für ein kritisches Drehmoment in einem Speicher des Sicherheitswächters abgespeichert. Von Vorteil ist dabei, dass eine Drehmomentbegrenzung auf diesen gespeicherten Wert hin ermöglicht ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist das Prinzip der Erfindung schematisch skizziert.
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Die Steuerelektronik 1 erzeugt pulsweitenmodulierte Ansteuersignale 5 für die Leistungshalbleiterschalter der Leistungselektronik 2, insbesondere Endstufe, eines Umrichters, welcher zur Speisung eines Elektromotors M vorgesehen ist. Dabei ist die Leistungselektronik 2 vorzugsweise aus drei Halbbrücken zusammengesetzt, welche aus einer unipolaren Spannung, insbesondere Gleichspannung, versorgt werden. Diese unipolare Spannung wird von einem Netz-gespeisten Gleichrichter erzeugt oder aus einer Gleichspannungsquelle bereit gestellt.
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Jede Halbbrücke besteht aus zumindest zwei in Reihe geschalteten ansteuerbaren Leistungshalbleiterschaltern, wie beispielsweise IGBT oder MOSFET-Transistoren.
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Jede Halbbrücke speist eine der drei Motorphasen (U, V, W) des Elektromotors M. Die jeweiligen zu den Motorphasen zugehörigen Ströme werden mittels der Stromerfassung 3 erfasst, wobei entsprechende Sensoren vorgesehen sind. Ein erster Stromsensor macht somit den Stromwert in der U-Phase, ein zweiter in der V-Phase und ein dritter in der W-Phase erfassbar.
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Die erfassten Stromwerte werden einerseits der Steuerelektronik 1 zugeführt, so dass die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale 5 als Stellgrößen unter Verwendung eines Maschinenmodells bestimmbar sind und hierbei die erfassten Stromwerte einer Reglerstruktur als Istwerte zuführbar sind. Gemäß dem Maschinenmodell wird hierbei ein Modellwert für Drehmoment, also für das vom Motor abgegebene Drehmoment, bestimmt. Insbesondere ist zur Bestimmung des Drehmoments die Bestimmung eines Modellwertes für den Statorfluss notwendig, also ist eine Integration im Modell vorgesehen.
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Außerdem werden die erfassten Stromwerte und der bestimmte Modellwert für das Drehmoment auch einem Sicherheitswächter 4 zugeführt, der als elektronische Schaltung ausgeführt ist.
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Auf diese Weise ist bei Erreichen eines kritischen Zustandes vom Sicherheitswächter aus ein sicheres Abschalten der Endstufe bewirkbar. Beispielsweise ist dies erreichbar, indem die Versorgungsspannung der Treiber für die Leistungshalbleiter der Leistungselektronik abgeschaltet wird.
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Der Sicherheitswächter ist ein zweikanalig aufgebautes sicherheitsgerichtetes System. Die erfassten Stromwerte in zwei oder drei Phasen werden im Sicherheitswächter verwendet, um auf mindestens eine von der in der Steuerelektronik des Umrichters verwendete Maschinenmodellwertbestimmung unterschiedliche Weise einen Wert für Drehmoment zu bestimmen. Sobald dieser Wert von dem an den Sicherheitswächter übermittelten Wert voneinander abweicht um mehr als einen kritischen Wert, wird eine Abschaltung der Leistungselektronik veranlasst.
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Hierbei wird im Sicherheitswächter ein erster Drehmomentwert bestimmt unter Verwendung des Stromwertes, welcher der U-Phase zugeordnet ist, und des Stromwertes, welcher der V-Phase zugeordnet ist. Dabei wird aus den einzelnen Stromwerten der Phasen nach Transformation in ein orthogonales Koordinatensystem der Betrag des Stromraumzeigers bestimmt und dieser mit einem Faktor multipliziert, um einen Modellwert für Drehmoment zu erhalten. Als Transformation ist beispielsweise eine Clarke-Transformation verwendbar.
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Bei einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird zusätzlich vom Sicherheitswächter ein zweiter Drehmomentwert bestimmt unter Verwendung des Stromwertes, welcher der U-Phase zugeordnet ist, und des Stromwertes, welcher der W-Phase zugeordnet ist. Die Bestimmung des Modellwertes für Drehmoment erfolgt wie vorgenannt in derselben Art und Weise, wobei statt der Stromwerte der U-Phase und V-Phase nun die Stromwerte der U-Phase und W-Phase verwendet werden.
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Somit ist auch ein Vergleich des zweiten Drehmomentwertes mit dem Modellwert für Drehmoment ermöglicht, wobei bei Abweichungen, die ein kritisches Maß überschreiten, eine Warnung oder eine Aktion auslösbar ist. Als Aktion ist auch ein Abschalten der Leistungselektronik ausführbar, so dass bei Ausfall eines Stromsensors die Sicherheit durch Abschalten erhöhbar ist.
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Ebenso ist noch ein dritter Drehmomentwert bestimmbar unter Verwendung des Stromwertes, welcher der V-Phase zugeordnet ist, und des Stromwertes, welcher der W-Phase zugeordnet ist. Somit sind weitere Vergleiche von Drehmomentwerten, beispielsweise auch ein Vergleich des ersten mit dem zweiten oder dritten Drehmoments, ermöglicht und es ist sogar der gegebenenfalls ausgefallene Stromsensor bestimmbar, solange nur ein einziger der Stromsensoren ausgefallen ist.
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Auf diese Weise ist also die Sicherheit erhöhbar. Denn bei einem fehlerhaften Bauteil, wie Stromsensor, ist eine Abschaltung ermöglicht.
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Außerdem ist dem Sicherheitswächter ein Wert für ein kritisches Drehmoment zuführbar. Beispielsweise ist dieser Wert als Parameter mit Eingabemitteln, welche mit dem Sicherheitswächter elektrisch verbunden sind, oder über Feldbus dem Sicherheitswächter zuführbar, insbesondere bei der Inbetriebnahme der Anlage. Somit ist ein Vergleich des Drehmomentwertes, welcher von dem Sicherheitswächter bestimmt wird, mit dem Wert für ein kritisches Drehmoment ausführbar. Auf diese Weise ist eine Drehmomentbegrenzung realisierbar, da bei Überschreiten des Wertes für ein kritisches Drehmoment die Abschaltung der Leistungsstufe ausgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich ist auch ein Vergleich des Modellwertes für Drehmoment mit dem kritischen Drehmoment ausführbar.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels werden die verschiedenen Berechnungen des Drehmoments im Sicherheitswächter von zwei separaten elektronischen Schaltungen ausgeführt oder beide Berechnungen von beiden separaten Schaltungen.
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Auf diese Weise ist somit die Sicherheit weiter erhöhbar. Das jeweilige von einer Schaltung bestimmte Ergebnis wird an die jeweils andere Schaltung übermittelt und von dieser mit dem eigen bestimmten, entsprechenden Ergebnis verglichen. Somit überwachen sich die beiden Schaltungen gegenseitig und können bei Abweichungen, die ein zulässiges Maß überschreiten, eine Abschaltung der Leistungselektronik bewirken, wobei die Abschaltung dann bewirkt wird, wenn eine der Schaltungen kein Freigabesignal erzeugt.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind die beiden Schaltungen auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet, tauschen Daten aus und/oder führen die Funktionalität des Überwachens des Drehmoments und des sicheren Abschaltens jeweils eigenständig aus.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind die beiden Schaltungen diversitär ausgeführt.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen veranlasst der Sicherheitswächter abhängig vom Ergebnis des Vergleichs als Aktion, dass
- – eine Warnanzeige aktiviert wird,
- – der Umrichter deaktiviert oder abgeschaltet wird und/oder
- – die Leistungselektronik des Umrichters abgeschaltet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuerelektronik
- 2
- Leistungselektronik, insbesondere Endstufe
- 3
- Stromerfassung
- 4
- Sicherheitswächter
- 5
- pulsweitenmodulierte Ansteuersignale
- M
- Elektromotor
- STO
- sichere Abschaltung der Leistungselektronik 2, insbesondere Endstufe
- μC1
- erster Mikrocontroller
- μC2
- zweiter Mikrocontroller
