DE102010031041A1

DE102010031041A1 - Schutzsystem zur thermischen Überwachung eines Motors

Info

Publication number: DE102010031041A1
Application number: DE201010031041
Authority: DE
Inventors: Klaus Behringer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2011-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur thermischen Überwachung eines Motors (2), insbesondere eines Elektromotors innerhalb der industriellen Automatisierungstechnik. Um ein verbessertes Schutzsystem (1) sowie ein verbessertes Verfahren zur thermischen Überwachung eines Motors (2) bereitzustellen, welches insbesondere bei einem Energieverlust des Schutzsystems (1) funktioniert wird vorgeschlagen, dass das Schutzsystem (1) einen Mikrocontroller (5) und einen Kondensator (6) umfasst, wobei der Mikrokontroller einen ersten, zweiten und dritten Anschluss (7, 8, 9) und einen Analog-Digital-Wandler (10) aufweist und der erste, zweite und dritte Anschluss (7, 8, 9) jeweils in einen hochohmigen Zustand schaltbar ist, wobei der erste Anschluss (7) auf eine Versorgungsspannung (Vdd), und eine Versorgungsmasse (Vss) des Schutzsystems (1) schaltbar ist, der zweite Anschluss (8) auf einen Analog-Digital-Wandler (10) des Mikrocontrollers (5) schaltbar ist und der dritte Anschluss (9) auf die Versorgungsmasse (Vss) schaltbar ist, wobei eine erste Elektrode des Kondensators (6) mit dem ersten Anschluss (7) und dem zweiten Anschluss (8) verbunden ist und eine zweite Elektrode des Kondensators (6) mit dem dritten Anschluss (9) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur thermischen Überwachung eines Motors, insbesondere eines Elektromotors innerhalb der industriellen Automatisierungstechnik.
In der Norm IEC 60947-4 ist beispielsweise der Überlastschutz von Motoren beschrieben. Der Motorschutz wird hierbei nicht durch direktes Messen der Motortemperatur erreicht, sondern die Motortemperatur wird durch Messung der Motorströme und Verwenden eines thermisch mathematischen Models berechnet.
Steigt die Motortemperatur über eine maximal zulässige Motortemperatur, so kann es zu einer Beschädigung des Motors kommen. Um einen durch Überhitzung herbeigeführten „Motorschaden” zu verhindern wird der Motor üblicherweise bei Erreichen einer maximal zulässigen Motortemperatur von einem Motorschutzsystem (Überlastrelais/Schutzsystem) deaktiviert. Bei Berechnung der Motortemperatur über Motorströme und das thermisch mathematische Model ist insbesondere der Fall interessant, wenn der Motor nur für eine kurze Zeit abgeschaltet wird. Bei einem Neustart des Systems ist der Motor noch nicht vollständig abgekühlt, so dass das Motorschutzsystem das mathematische Model an einen vorgewärmten Motor anpassen müsste. Bei Motorschutzsystemen, welche über die Energieversorgung des Motors mit Energie versorgt werden, ist eine derart zeitliche Überwachung nicht einfach, weil der Ausfall des Motorstroms zum Energieverlust des Motorschutzsystems führt. Das Motorschutzsystemen ist üblicherweise mit der Versorgungsleitung des Motors gekoppelt, so dass die Energieversorgung des Schutzsystems abhängig von der Energieversorgung des Motors ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Schutzsystem sowie ein verbessertes Verfahren zur thermischen Überwachung eines Motors bereitzustellen, welches insbesondere bei einem Energieverlust des Schutzsystems funktioniert.
Unter einem Schutzsystem wird vorzugsweise ein Motorschutzrelais oder ein Überlastrelais verstanden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, d. h. durch ein Schutzsystem zur thermischen Überwachung eines Motors, umfassend einen Mikrocontroller und einen Kondensator, wobei der Mikrokontroller einen ersten, zweiten und dritten Anschluss und einen Analog-Digital-Wandler aufweist und der erste, zweite und dritte Anschluss jeweils in einen hochohmigen Zustand schaltbar ist, wobei der erste Anschluss auf eine Versorgungsspannung (Vdd), und eine Versorgungsmasse (Vss) des Schutzsystems schaltbar ist, der zweite Anschluss auf einen Analog-Digital-Wandler des Mikrocontrollers schaltbar ist und der dritte Anschluss auf die Versorgungsmasse (Vss) schaltbar ist, wobei eine erste Elektrode des Kondensators mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden ist und eine zweite Elektrode des Kondensators mit dem dritten Anschluss verbunden ist, und ein Verfahren gemäß Anspruch 11, d. h. durch ein Verfahren zum thermischen Überwachen eines Motors mit dem Schutzsystem, wobei im aktiven Zustand des Motors der erste Anschluss zumindest zeitweise auf die Versorgungsspannung (Vdd) und der dritte Anschluss gegen die Versorgungsmasse (Vss) geschalten werden, so dass der Kondensator aufgeladen wird, wobei im inaktiven Zustand des Motors der erste, zweite und dritte Anschluss den hochohmigen Zustand einnimmt, wobei bei einem Starten des Motors der zweite Anschluss auf den Analog-Digital-Wandler und der dritte Anschluss auf die Versorgungsmasse (Vss) geschalten wird und eine vorliegende Spannung des Kondensators zwischen dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss ermittelt wird und anhand der ermittelten Spannung U_CStart ein Rückschluss auf die vorliegende Temperatur des Motors erfolgt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den unabhängigen Ansprüchen 2 bis 10 sowie 12 bis 17 angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Schutzsystem ist vorzugsweise mit der Energieversorgung des Motors koppelbar, so dass es seine eigene Energie über die Energieversorgung des Motors einspeisen kann. Es ist aber ebenso denkbar, dass das Schutzsystem eine separate Energievorsorgung aufweist.
Ferner weist das Schutzsystem vorzugsweise Detektionsmittel auf, so dass der jeweilige Zustand des Motors (aktiv/inaktiv) vom Schutzsystem detektiert werden kann. Dies kann beispielsweise durch das Überwachen einer Energieversorgungsleitung des Motors erfolgen.
Die Versorgungsspannung (Vdd) sowie die Versorgungsmasse (Vss) des Schutzsystems beziehen sich hierbei vorzugsweise auf die Versorgungsspannung (Vdd) und Versorgungsmasse (Vss) des Mikrocontrollers.
Durch ein derart verschaltetes Schutzsystem kann der Kondensator im aktiven Zustand des Motors schrittweise aufgeladen werden. Durch das schrittweise Aufladen des Kondensators kann anhand der steigenden Spannung zwischen dem zweiten und dem dritten Anschluss (der am Kondensator anliegenden Spannung) ein Rückschluss auf eine vorliegende Temperatur des Motors erzielt werden. Mit zunehmender Dauer des aktiven Betriebs des Motors nimmt die Temperatur des Motors zu. Ebenso nimmt mit zunehmender Dauer des aktiven Zustands des Motors die Spannung zwischen dem zweiten und dritten Anschluss des Schutzsystems zu. Die Erwärmungs-/Abkühlkurve eines Motors folgt, wie die Lade- oder Entladekurve eines Kondensators, einer Exponentialfunktion, so dass durch ein Verfolgen des Spannungsverlaufes des Kondensator ein Rückschluss bezüglich des Wärmeverhaltens des Motor gewonnen werden kann. Wird nun der Motor deaktiviert, so dass ein inaktiver Zustand des Motors vorliegt, so kühlt sich der erwärmte Motor langsam ab. Ebenso entlädt sich langsam der Kondensator. Die langsame Entladung des Kondensators bildet eine Abkühlung eines Motors sehr gut ab, da ein Kondensator bei seiner Entladung ebenso einer Expotentialfunktion folgt. Durch die Ladespannung und den Entladestrom wird letztendlich die Entladungsfunktion festgelegt. Das thermische Verhalten des Motors kann somit durch Verfolgen des Spannungsverlaufes zwischen dem zweiten und dritten Anschluss nachvollzogen und somit überwacht werden.
Um eine derartige Entladungsfunktion zu detektieren muss der Kondensator galvanisch mit einem Mikrocontroller verbunden werden. Dies ermöglicht jedoch parasitäre Entladungen des Kondensators über den Mikrocontroller.
Liegt beispielsweise ein Mikrocontroller aus Silizium vor, dessen Entladespannung bei 0,6 V liegt, so würde bei einem Anschluss des Kondensators an einem Anschluss des Mikrocontrollers bereits eine Entladung des Kondensators ab 0,6 Volt am Kondensator über den Mikrocontroller erfolgen. Da bei dem erfindungsgemäßen Schutzsystems der Kondensator mit zwei Anschlüssen des Mikrocontrollers verbunden ist, kann die parasitäre Entladung des Kondensators erhöht bzw. verdoppelt werden. Der Kondensator kann folglich bis maximal 1,2 Volt beaufschlagt werden, bis es zu einer parasitären Entladung über den Mikrocontroller kommt. Auf diese Weise kann das Spektrum der thermischen Motorüberwachung vergrößert werden.
Durch das erfindungsgemäße Schutzsystem kann somit eine verbesserte thermische Überwachung eines Motors erfolgen. Bei Eintreten eines inaktiven Zustandes des Motors nimmt der erste, zweite und dritte Anschluss einen hochohmigen Zustand ein, so dass es zu keiner Entladung über dne Mikrocontroller kommt. Anhand der Entladekurve des Kondensators kann nun ein Rückschluss auf die Abkühlkurve des Motors erfolgen, so dass beispielsweise bei einem Starten des Motors durch ein Messen der vorliegenden Spannung zwischen dem zweiten und dritten Anschluss und somit das Messen der vorliegenden Spannung des Kondensators ein Rückschluss auf die vorliegende Temperatur des Motors erfolgen kann.
Das Schutzsystem kann somit bei einem Starten des Motors die vorliegende Temperatur eines kürzlich abgeschalteten Motors ermitteln und sofern beispielsweise die vorliegende Temperatur immer noch über der maximal zulässigen Motortemperatur liegt ein Starten des Motors verhindern. In einem derartigen Fall würde die am Kondensator anliegende Spannung über einer maximal zulässigen Motorspannung des Kondensators (U_Cmax) liegen.
Liegt beispielsweise noch keine vollständige Abkühlung des Motors vor (am Kondensator liegt noch eine Spannung an, U_CStart > 0 Volt und U_CStart < U_Cmax) so kann anhand der vorliegenden Spannung die vorliegende Temperatur des Motors ermittelt werden. Mithilfe dieser vorliegenden Temperatur bzw. der diese Temperatur abbildenden Spannung am Kondensator kann das folgende thermische Motorverhalten (Motormodel) berechnet und eingestellt werden, so dass es zu keiner verfälschten Betrachtung des thermischen Verhaltens des Motors kommt. Das thermische Verhalten des Motors bei einem Starten des Motors wird folglich nicht immer von einem einheitlichen „Startwert” berechnet, sondern, sofern eine Spannung am Kondensator anliegt, auf Basis der durch die Spannung repräsentierten Temperatur des Motors.
Während des aktiven Zustandes wird vorzugsweise zeitweise der zweite Anschluss auf den Analog-/Digital-Wandler geschaltet, so dass die vorliegende Spannung am Kondensator ermittelt werden kann. Auf diese Weise kann ein ständiges kontrollieren der vorliegenden Motortemperatur und bei Bedarf ein Schalten des Motors in einen inaktiven Zustand bzw. ein Ausgeben eines Warnsignals erfolgen.
Vorzugsweise ist beim Starten des Motors der erste Ausgang hochohmig geschaltet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist parallel zum Kondensator ein Entladewiderstand geschaltet.
Über diesen Entladewiderstand kann die Entladekurve des Kondensators eingestellt werden. Ist beispielsweise der Widerstand größer, so erfolgt eine langsamere Entladung des Kondensators. Ist hingegen der Widerstand kleiner, so entlädt sich der Kondensator schneller. Das Abkühlverhalten des Motors kann somit mithilfe des Entladewiderstand optimal eingestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Entladewiderstand durch Entladepfade auf der Leiterplatte ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Versorgungsspannung (Vdd) des ersten Anschlusses und der ersten Elektrode ein Ladewiderstand geschaltet.
Auf diese Weise kann das Laden des Kondensators beeinflusst werden, so dass die Erwärmung des Motors optimal nachgebildet werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Ladewiderstand innerhalb des Mikrocontrollers ausgebildet.
Dies kann beispielsweise über einen aktivierbaren Pull-Up Transistor oder Widerstand erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der erste, zweite und dritte Anschluss ein General Purpose Input-Output (GIPO) des Mikrocontrollers.
Der erste, zweite und dritte Anschluss ist hierbei vorzugsweise auf Versorgungsspannung (Vdd), Versorgungsmasse (Vss) und hochohmig durch jeweils ein Schaltelement schaltbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist innerhalb des Mikrocontrollers der erste, zweite und dritte Anschluss jeweils mit zwei Feldeffekttransistoren verbunden, so dass Vdd, Vss und ein hochohmiger Zustand geschaltet werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kondensator ein Keramikkondensator.
Dadurch, dass die unerwünschte parasitäre Entladung des Kondensators über den Mikrocontroller verbessert verhindert wird, kann ein Keramikkondensator eingesetzt werden. Ein Keramikkondensator hat gegenüber einem Elektrolytkondensator den Vorteil, dass eine geringere Baugröße möglich ist, dass keine Alterung des Kondensators erfolgt (die Entladekurve des Kondensators wird nicht verfälscht) und geringere Toleranzen sowie Kosten ermöglicht werden.
Ein im Schutzsystem verwendeter Kondensator weist vorzugsweise eine Kapazität zwischen 1 bis 100 μF auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Schutzsystem ferner einen nichtflüchtigen Speicher auf, in welchem eine maximale Spannung U_Cmax des Kondensators oder ein aus der maximalen Spannung U_Cmax des Kondensators abgeleiteter Wert MM_max hinterlegt ist.
Die maximale Spannung U_Cmax des Kondensators spiegelt beispielsweise ein thermisches maximales Motormodel des Motors MM_max wieder. U_Cmax liegt hierbei vorzugsweise zwischen 0,8 und 1,2 Volt.
Mithilfe U_Cmax wird die Grenze der maximal zulässigen Temperatur des Motors abgebildet. Durch einen Vergleich der aktuell vorliegenden Spannung am Kondensator mit U_Cmax bzw. ein Vergleichen eines aktuell vorliegenden thermischen Motormodellwertes MM mit dem maximal zulässigen Motormodellwert MM_max kann ein thermisches Zerstören des Motors verhindert werden.
Wird dieser Wert erreicht bzw. überschritten, so erfolgt ein abschalten des Motors bzw. ein Starten des Motors wird verhindert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist ein Motorschutzrelais das Schutzsystem auf, wobei das Motorschutzrelais anhand eines Zustandes des Schutzsystems einen mit dem Motorschutzrelais verbundenen Motor einschalten und/oder ausschalten kann.
Unter dem Begriff Motorschutzrelais wird ebenso ein Überlastrelais verstanden. Der Zustand des Schutzsystems spiegelt insbesondere ein Überschreiten bzw. Unterschreiten von U_Cmax wieder.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine maximale Spannung U_Cmax des Kondensators oder ein aus der maximalen Spannung U_Cmax des Kondensators abgeleiteter Wert MM_max in dem Speicher hinterleget, wobei U_CStart mit U_Cmax oder ein aus U_CStart abgeleiteter Wert MM_Start mit MM_max verglichen wird und sofern U_CStart größer gleich U_Cmax oder MM_Start größer gleich MM_max ist ein Starten des Motors verhindert oder der Motor abgeschaltet wird.
Auf diese Weise kann ein optimaler Schutz eines zu überwachenden Motors gewährleistet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird im aktiven Zustand der zweite Anschluss zumindest zeitweise auf den Analog-Digital-Wandler geschaltet und das Schutzsystem ermittelt eine aktuell vorliegende Spannung des Kondensators U_Cist und speichert U_Cist oder einen aus U_Cist abgeleiteten Wert MM_ist in einem nichtflüchtigen Speicher des Schutzsystems ab.
Hierdurch kann ein beständiges Nachverfolgen des Temperaturverlaufs des Motors erfolgen. Analysen des Motors hinsichtlich seiner Erwärmung über die Zeit können erfolgen, ferner kann bei einem Starten des Motors nach einem inaktiven Zustand der Motor mit seiner letzten vorliegenden aktiven Motortemperatur verglichen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine maximale Spannung U_Cmax des Kondensators oder ein aus der maximalen Spannung U_Cmax des Kondensators abgeleiteter Wert MM_max in dem Speicher hinterleget, wobei die aktuelle Spannung U_Cist des Kondensators mit U_Cmax oder ein aus der aktuellen Spannung U_Cist abgeleiteter Wert MM_ist mit MM_max verglichen wird und sofern U_Cist größer gleich U_Cmax oder MM_ist größer gleich MM_max ist der Motor abgeschaltet wird.
Hierdurch kenn ein Überwachen des Motors während seines aktiven Betriebes erfolgen, so dass der Motor vor einem thermischen Schaden geschützt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird nach einem inaktiven Zustand des Motors U_CStart mit U_Cist oder MM_Start mit MM_ist verglichen.
Da U_Cist bzw. MM_istdie letzte maximale Motortemperatur repräsentiert und U_CStart bzw. MM_Start die aktuelle Motortemperatur repräsentiert kann durch einen Vergleich dieser Werte ein Rückschluss auf die Abkühlung des Motors erfolgen. Folglich kann die erfolgte Abkühlung des Motors bzw. ein diese Abkühlung repräsentierender Wert ermittelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in dem Schutzsystem mindestens eine Motorabkühlfunktion hinterlegt, wobei in Abhängigkeit eines verwendeten Motors U_CStart oder MM_Start mit der Motorabkühlfunktion ausgeglichen wird.
Das thermische Verhalten des Motors während des aktiven Zustandes kann über das stufenweise aufladen des Kondensators (Ladekurve) gesteuert werden. Hierbei kann der Mikrokontroller den zeitlichen Ladevorgang des Kondensators derart steuern, so dass das thermische Verhalten unterschiedlicher Motoren abgebildet werden kann.
Bei einem Abkühlvorgang des Motors ist der Spannungsverlauf des Motors bei einem Energieverlust jedoch nicht durch den Mikrokontroller steuerbar. Durch das Verwenden einer Motorabkühlfunktion kann jedoch die tatsächliche Abkühlung des Motors abgebildet werden. Das thermische Verhalten eines Motors, welcher schneller abkühlt, sowie eines Motors, welcher langsam abkühlt, kann mit dem Schutzsystem durch das Verwenden einer motorabhängigen Motorabkühlfunktion ausgeglichen werden. Die Abkühlkurve des Motors wird durch die Spannungskurve (Entladekurve) am Kondensator repräsentiert. Ist nun bekannt, dass die Abkühlkurve des verwendeten Motors im Vergleich zu der Entladekurve des im Schutzsystem verbauten Kondensator und ggf. des dazu parallel geschalteten Entladewiderstandes schneller abfällt, so muss U_CStart bzw. MM_Start angeglichen werden, so dass die angeglichenen Werte (U_CMA bzw. MM_MA) dem Verhalten des Motors entsprechen. Hierbei muss lediglich U_CStart oder MM_Start mit der Motorabkühlfunktion (MA) ausgeglichen werden. Das Schutzsystem kann somit optimal auf ein entsprechendes Abkühlverhalten eines Motors (schnell/langsam) eingestellt werden. Bei einem Starten des Motors kann somit der Ladevorgang des Kondensators anhand des angeglichenen Wertes (U_CMA bzw. MM_MA) erfolgen, so dass es zu keiner verfälschten Analyse des Motors kommt. Die Motorabkühlfunktion ist vorzugsweise von dem Kunden einstellbar, so dass er das Schutzsystem entsprechend des zu überwachenden Motors einstellen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Mikrocontroller ein Erkennungsmittel auf, welches einen Energieverlust des Schutzsystems vorzeitig erkennt und sofern ein Energieverlust erkannt wird der inaktive Zustand herbeigeführt wird.
Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der erste, zweite und/oder dritte Anschluss bei Eintreten eines Energieverlustes nicht den hochohmigen Zustand aufweist und somit eine Entladung des Kondensators über den Mikrocontroller herbeiführen würde. Über eine Brown Out Funktion kann beispielsweise eine derartige Detektion erfolgen.
Im Folgenden werden die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 Ein Motorschutzrelais, welches mit einem zu überwachenden Motor verbunden ist,
2 ein schematischer Aufbau eines Schutzsystems,
3 ein erster Spannungsverlauf eines Kondensators U_C eines Schutzsystems über die Zeit, und
4 ein zweiter Spannungsverlauf eines Kondensators U_C eines Schutzsystems über die Zeit.
1 zeigt ein Motorschutzrelais 4, welches mit einem zu überwachenden Motor 2 verbunden ist. Das Motorschutzrelais 4 ist hierbei mit der Energieleitung 3 des Motors 2 gekoppelt, so dass das Motorschutzrelais 4 seine eigene Energieversorgung aus dieser Energieleitung 3 speisen kann, sowie die Ansteuerung des Motors detektieren kann. Das Motorschutzrelais 4 umfasst hierbei ein Schutzsystem 1 zur thermischen Überwachung des angeschlossenen Motors 2.
Der Elektromotor 2 kann einen aktiven Zustand und einen inaktiven Zustand einnehmen. Während des aktiven Zustands (Betriebs) wird im Schutzsystem 1 ein Kondensator schrittweise aufgeladen. Dieser Kondensator bzw. dessen Spannung U_C spiegelt die vorliegende Motortemperatur des Elektromotors 2 wieder. Steigt die Spannung des Kondensators, so liegt eine erhöhte Motortemperatur des Motors 2 vor. Wird der Motor nun in einen inaktiven Zustand geschaltet, so wird das Aufladen des Kondensators unterbrochen, so dass sich der Kondensator über die Zeit entlädt. Dieser Spannungsabfall am Kondensator spiegelt letztendlich eine Abkühlkurve des Motors 2 wieder. Sofern der Kondensator vollständig entladen ist, ist davon auszugehen, dass der Motor 2 ebenso ausreichend abgekühlt ist. Wird jedoch der Motor 2 nur kurz in einen inaktiven Zustand geschaltet, so ist der Motor 2 noch nicht vollständig abgekühlt und wird durch den erneuten aktiven Betrieb ab der vorliegenden Motortemperatur erhitzt. Wird hierbei das Schutzsystem 1 betrachtet, so hat sich in diesem Beispiel der Kondensator ebenso noch nicht vollständig entladen. Anhand der vorliegenden Spannung am Kondensator kann ermittelt werden, dass noch keine vollständige Abkühlung des Motors 2 erfolgt ist und somit bei dem erneuten aktiven Zustands des Motors 2 die Temperaturzunahme nicht von einer vollständigen Abkühlung des Motors auszugehen ist, sondern von einer bereits vorliegenden Betriebstemperatur auszugehen ist.
Mit Hilfe des Motorschutzrelais 4 und dessen Schutzsystem 1 kann somit das thermische Verhalten eines Motors 2 überwacht werden. Insbesondere kann bei einem Überschreiten einer zulässigen Motortemperatur und folglich einem Überschreiten einer zulässigen Motortemperaturmaximalspannung U_Cmax am Kondensator des Schutzsystems 1 ein Abschalten des Motors herbeigeführt werden bzw. ein Starten des Motors verhindert werden.
2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Schutzsystems 1. Das Schutzsystem 1 bildet durch einen an einem Mikrocontroller 5 angeschlossenen Kondensator 6, Ladewiderstand 12 und Entladewiderstand 11 insbesondere ein Abkühlverhalten eines zu überwachenden Motors nach. Hierbei kann der Ladewiderstand 12 intern im Mikrocontroller 5 vorhanden sein (z. B. Pads mit Pull-up-Transistor). Der Entladewiderstand 11 kann auch durch Entladepfade auf der Leiterplatte gebildet werden. Der Mikrocontroller 5 weißt hierbei mindestens einen Analog-Digital-Wandler 10 auf, so dass eine Spannung am zweiten Ausgang 8 des Mikrocontrollers 5 ermittelt werden kann.
Das thermische Verhalten des Motors und insbesondere dessen Abkühlung kann durch die langsame Entladung des Kondensators 6 nachgebildet werden. Die Entladekurve eines Kondensators 6 folgt wie die Abkühlkurve eines Motors einer Expotentialfunktion. Durch die Ladespannung den Entladestrom wird folglich die Entladungsfunktion des Kondensators festgelegt. Hierfür muss jedoch der Kondensator 11 galvanisch mit einem Mikrocontroller 5 verbunden werden. Durch eine Anordnung des Kondensators 6 gemäß 2 kann die parasitäre Entladung des Kondensators 6 verbessert verhindert werden.
Das Schutzsystem 1 umfasst folglich einen Mikrocontroller 5, einen Ladewiderstand 12, einen Entladewiderstand 11 sowie einen Kondensator 6. Der Mikrocontroller 5 umfasst einen ersten Anschluss 7, einen zweiten Anschluss 8 und einen dritten Anschluss 9. Der Kondensator 6, welcher ein thermisches Verhalten eines Motors nachbildet, wird hierbei nicht mit einem festen Potential verbunden, sondern ist mit den Anschlüssen 7, 8, 9 des Mikrocontrollers 5 verbunden. Bei dem ersten, zweiten und dritten Anschluss 7, 8, 9 handelt es sich jeweils um einen General Purpose Input Output (GPIO), wobei der zweite Anschluss 8 auf einen Analog-Digital-Wandler 10 geschaltet werden kann. Der erste, zweite und dritte Anschluss 7, 8, 9 besitzt hierbei die Funktion, dass der jeweilige Anschluss auf Vdd (Versorgungsspannung), Vss (Versorgungsmasse) und hochohmig geschaltet werden kann. Die Anschlüsse 7, 8, 9 können somit drei Zustände einnehmen. Bei dem vorliegenden Schutzsystem 1 werden durch zwei Feldeffekttransistoren 13 die jeweiligen Zustände der Anschlüsse 7, 8, 9 erzielt.
Durch den parallel zum Kondensator 6 angeordneten Entladewiderstand 11 kann das Entladeverhalten des Kondensators 6 beeinflusst werden. Der Ladewiderstand 12, welcher zwischen Anschluss 2 und Anschluss 1 eingebracht ist, beeinflusst das Ladeverhalten des Kondensators 6. Dieser Ladewiderstand 12 kann beispielsweise entfallen, wenn Anschluss 2 mit einem Pull-up-Transistor konfigurierbar ist.
Ein Entladen des Kondensators 6 kann durch parasitäre Effekte der Transistoren, der GPIOs bzw. durch spezielle Schutzdioden in den Pads des Mikrocontrollers 5 erfolgt. Diese parasitären Dioden sind in der 2 eingezeichnet. Im Fall einer Abschaltung des Motors würde es genau dann zu parasitären Entladungen des Kondensators 6 kommen, wenn die Spannung U_Cist (die Spannung am Kondensator) größer ist U_CEntlade (Entladespannung am Mikrocontroller). Die Spannung U_CEntlade ist dann erreicht, wenn jeweils eine Diode gegen Vdd und gegen Vss leitend wird. U_CEntlade = (Flussspannungsdiode gegen Vdd) + Flussspannung gegen Vss). Die Flussspannung bei Silizium liegt üblicherweise im Bereich von 0,6 Volt, d. h. die Spannung am Kondensator darf U_CEntlade ca. 1,2 Volt nicht überschreiten, da es ansonsten zu einer parasitären Entladung des Kondensators kommt. Dadurch, dass der Kondensator 6 zwischen zwei Anschlüssen des Mikrocontrollers 5 angeordnet ist und nicht direkt mit einem Potential verbunden ist, kann das Verhindern der parasitären Entladung des Kondensators 6 über den Mikrocontroller 5 verbessert werden. Um ein parasitäres Entladen des Kondensators zu verhindern, ist es vorteilhaft U_Cmax (maximal zulässige Motortemperaturspannung am Kondensator 6) größer gleich U_CEntlade zu dimensionieren.
Durch ein derartiges Schutzsystem 1, welches beispielsweise wie in 1 dargestellt, mit einem Motor verbunden ist, kann das thermische Verhalten eines Motors überwacht werden. Im aktiven Zustand des Motors wird hierbei der erste Anschluss zumindest zeitweise auf die Versorgungsspannung Vss und der dritte Anschluss gegen die Versorgungsmasse Vdd geschaltet, so dass der Kondensator 6 aufgeladen wird. Das schrittweise Aufladen des Kondensators 6 spiegelt somit das Erwärmen des Motors wieder. Durch den Ladewiderstand 12 kann der Ladeprozess des Kondensators 6 beeinflusst werden. Wird nun der Motor abgeschaltet und nimmt somit den inaktiven Zustand ein, so wird der erste, zweite und dritte Anschluss 7, 8, 9 in einen hochohmigen Zustand geschaltet. Das Entladen des Kondensators 6 bzw. das Absinken der am Kondensator anliegenden Spannung U_C kann durch die Dimensionierung des Entladewiderstandes 11 eingestellt werden. Die Entladekurve des Kondensators 6 spiegelt somit die Abkühlkurve des Motors wieder.
Über den Analog-Digital-Wandler 10 kann sofern der dritte Anschluss auf Vss geschaltet ist, die aktuell anliegende Spannung U_Cist am Kondensator 6 ermittelt werden. Bei einem Starten des Motors kann somit ein Rückschluss auf die aktuell vorliegende Temperatur des Motors über die aktuell vorliegende Spannung U_Cist am Kondensator 6 erfolgen. Ferner kann ebenso während des aktiven Zustandes (Betriebs) des Motors über das Auswerten der anliegenden Spannung U_Cist am Kondensator 6 ein Rückschluss auf die vorliegende Temperatur erfolgen. Auf diese Weise kann ein aktuell vorliegendes thermisches Motormodel MM_ist berechnet werden. Hierfür ist in einem nichtflüchtigen Speicher ein maximaler Motormodelwert MM_max hinterlegt. Dieser Maximalwert ist vorzugsweise ein maximal erreichbarer oder zulässiger Wert zuzüglich einer Toleranz.
Um ein aktuell vorliegendes thermisches Motormodel MM_ist abzubilden, muss der Kondensator 6 auf
geladen werden. Hierfür wird der erste Anschluss 7 auf Vdd geschaltet und der dritte Anschluss 9 gegen die Versorgungsmasse Vss geschaltet, so dass der Kondensator 6 aufgeladen wird. Sofern der erste Anschluss 7 auf Vdd geschaltet ist, kann der Kondensator 6 geladen werden. Ist der erste Anschluss 7 auf Vss geschaltet, so kann der Kondensator 6 entladen werden. Über den zweiten Anschluss 8 und dessen Analog-Digital-Wandler 10 kann der aktuelle Spannungswert des Kondensators 6 zurück gelesen werden. Damit der Kondensator 6 ein erwünschtes thermisches Motormodel MM_ist einnimmt, wird der Kondensator 6 solange geladen bzw. entladen bis der gewünschte Spannungswert U_ist erreicht ist. Ist der Kondensator 6 auf einen erwünschten Spannungswert geladen, so werden alle Anschlüsse hochohmig geschaltet. In zyklischen Abständen (z. B. 1 Sekunde) wird nun die Kondensatorspannung korrigiert, so dass ein aktuell vorliegendes thermisches Motormodel wieder gespiegelt wird. Während der restlichen Zeit sollten die Anschlüsse hochohmig geschaltet sein.
Wird das Schutzsystem 1 nicht mehr mit Energie versorgt, so wird der Kondensator 6 lediglich durch den Entladewiderstand 11 und nicht durch parasitäre Effekte entladen. Ein unerwünschtes Entladen kann somit verhindert werden.
Bei einem Starten des Motors (Neustart) wird die Kondensatorspannung U_CStart ermittelt (erster Anschluss 7 ist hochohmig, zweiter Anschluss 8 ist auf den Analog-Digital-Wandler 10 geschaltet und dritter Anschluss 9 ist auf Vss geschaltet). Aus der ermittelten Spannung U_CStart kann die vorliegende Temperatur des Motors ermittelt werden. Das abgekühlte Motormodel MM_Start kann wie folgt berechnet werden:
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Schutzsystem 1 motorklassenabhängig die Abkühlfunktion des Motors ermitteln. Die Abkühlung des Motors wird durch die Kombination des Entladewiderstandes 11 und des Kondensators 6 festgelegt. Hierbei wäre es ebenso wünschenswert, wenn die Abkühlfunktion analog zur Erwärmungsfunktion einstellbar wäre, da in Abhängigkeit eines zu überwachenden Motors die Abkühlung schneller bzw. langsamer erfolgen kann.
Um ein motorabhängiges Motormodel bereitzustellen, wird die Entladefunktion des Kondensators 6 auf die höchste einstellbare Motorklasse gelegt (z. B. Class 30). Bei dem Ladevorgang des Kondensators 6 wird das Motormodel bzw. die gewünschte Ladespannung im nichtflüchtigen Speicher des Mikrocontrollers 5 abgespeichert (MM_ist bzw. U_Cist). Bei einem Neustart des Systems kann nun errechnet werden, auf wie viel Prozent das Motormodel abgesunken ist:
Da die Abkühlung für Class 30 erfolgt ist, können nun auch die Abkühlwerte für andere „Motorklassen” (Class 20, Class 10, Class 5) berechnet werden. Dabei ist:
n_Class20 = n_Class30 ^1,5
n_Class10 = n_Class30 ³
n_Class5 = n_Class30 ⁶
Damit können wiederum folgende Werte für das motorabhängige Motormodel berechnet werden:
MM_MA-Class20 = n_Class20 × MM_ist
MM_MA-Class10 = n_Class10 × MM_ist
MM_MA-Class5 = n_Class5 × MM_ist
Mithilfe des motorabhängigen Motormodells MM_MA-Class kann letztendlich die vorliegende Motortemperatur sowie der motorabhängige einzustellende Spannungswert am Kondensator U_CMA-Class ermittelt werden. Durch das Anpassen des Spannungswertes am Kondensator durch den mit einer Motorabkühlfunktion berechneten motorabhängig tatsächlichen Spannungswert U_CMA, welcher die tatsächliche Temperatur des Motors wieder spiegelt, kann eine verfälschte Analyse der Motortemperatur vermieden werden und eine korrekte Überwachung des Motors sichergestellt werden.
3 zeigt einen ersten Spannungsverlauf eines Kondensators U_C eines Schutzsystems über die Zeit. Hierbei ist ersichtlich, dass in dem Zeitfenster t₀ bis t₁ der Motor aktiv ist und somit der Kondensator aufgeladen wird, bis er eine maximal zulässige Motortemperaturspannung U_Cmax aufweist. Die Ladekurve t₀ bis t₁ des Kondensators spiegelt somit den Erwärmungsprozess eines überwachten Motors wieder. U_Cmax spiegelt hierbei eine maximal zulässige Temperatur eines zu überwachenden Motors wieder. Wird dieser Punkt erreicht, so ist vorzugsweise der Motor abzuschalten oder beispielsweise ein Warnsignal auszugeben.
Im vorliegenden Beispiel erfolgt ein Abschalten des Motors zum Zeitpunkt t₁, so dass ein inaktiver Zustand des Motors herbeigeführt wird. Der Motor kühlt folglich ab und der Kondensator des Schutzsystems entlädt sich analog der Abkühlkurve des Motors. Während des inaktiven Zustandes t1 bis t2 des Motors sinkt die Spannung des Kondensators auf U_Start-t2 ab. Durch einen Vergleich der vorliegenden Spannung zum Zeitpunkt t₁ mit der ermittelten Spannung zum Zeitpunkt t₂ (U_CStart-t2) kann ein Rückschluss auf die Abkühlung des Motors gewonnen werden. Hierbei wird erkannt, dass sich der Motor noch nicht vollständig abgekühlt hat. Wird nun der Motor wieder aktiviert (Zeitfenster t₂ bis t₃), so findet ein erneutes Erwärmen des Motors statt und ebenso eine Zunahme der Spannung am Kondensator. Diese Zunahme startet von einem bereits erhöhten Motortemperaturwert sowie Kondensatorspannungswert (U_CStart-t2). Würde dies nicht berücksichtigt werden und die weitere Analyse von einem vollständig abgekühlten Motor ausgehen, so würde eine verfälscht Analyse vorliegen.
Während dem Zeitfenster t₂ bis t₃ erwärmt sich der Motor erneut solange, bis am Kondensator wiederum U_Cmax erreicht wird und der Motor in einen inaktiven Zustand geschaltet wird. Zum Zeitpunkt t₄ wird der Motor kurz vor einer vollständigen Entladung des Kondensators und somit Abkühlung des Motors aktiviert. Mit Hilfe der vorliegenden Spannung zum Zeitpunkt t₄ kann erneut ein Rückschluss auf die vorliegende Temperatur des Motors gewonnen werden. Die gestrichelte Line zum Zeitpunkt t₄ deutet das Ladeverhalten des Kondensators bei einer vollständigen Abkühlung an.
4 zeigt einen zweiten Spannungsverlauf eines Kondensators U_C eines Schutzsystems über die Zeit. Hierbei liegt wie bereits in der 3 beschrieben für den Kondensator eine maximal zulässige Motortemperaturspannung U_Cmax vor.
Im vorliegenden Fall wird ein sich schnell abkühlender Motor mit dem Sicherheitssystem analysiert. Eine auf den schnell abkühlenden Motor abgestimmte Motorabkühlfunktion ist im Sicherheitssystem hinterlegt, so dass das Sicherheitssystem das „tatsächliche” Abkühlverhalten des Motors und somit dessen Abkühlkurve in Bezug zu der Entladekurve des Kondensators in Korrelation setzen kann.
Von t₀ bis zum Zeitpunkt t₁ ist der Motor im aktiven Zustand, so dass sich der Motor erwärmt und die Spannung am Kondensator zunimmt. Zum Zeitpunkt t₁ wird der Motor abgeschaltet. Da das Sicherheitssystem beständig die vorliegende Spannung (U_Cist) am Kondensator ermittelt und in einem Speicher hinterlegt kann mithilfe der Spannung U_Cist-t1 zum Zeitpunkt t₁ ein Rückschluss auf die letzte vorliegende Motortemperatur im aktivem Zustand des Motors gewonnen werden. In der Zeit von t₁ bis t₂ kühlt der Motor ab und die Spannung am Kondensator U_C nimmt ebenso ab.
Zum Zeitpunkt t₂ wird der Motor erneut aktiviert/gestartet. Das Sicherheitssystem kann nun durch einen Vergleich des letzten Spannungswertes der aktiven Phase des Motors (U_Cist-t1) mit dem zum Zeitpunkt t₂ vorliegenden Spannungswert des Kondensators zum Startzeitpunkt (U_CStart-t2) und der Motorabkühlfunktion (MA) die tatsächliche Abkühlung des Motors ermitteln. Da der vorliegende Motor im Vergleich zu einem „Standardmotor”, auf welchen die Entladekurve des Kondensators des Sicherheitssystem eingestellt ist, schneller abkühlt, wird durch die Motorabkühlfunktion die vorliegende Spannung zum Zeitpunkt t₂ U_CStart-t2 korrigiert, so dass die korrigierte Spannung U_CMA-t2 die tatsächliche Motortemperatur wieder spiegelt. Der Kondensator wird folglich entladen, so dass die mithilfe der Motorabkühlfunktion berechnete Spannung U_CMA-t2 am Kondensator vorliegt. Die weitere Überwachung des Motors erfolgt somit anhand des korrigierten Spannungswertes U_CMA-t2 am Kondensator, so dass es zu keiner Verfälschung der zu analysierenden Motortemperatur kommt.
Der Mikrocontroller kann die Berechnungen der Motortemperatur ebenso anstelle der reinen Spannungswerte des Kondensators mit von diesen Spannungswerten abgeleiteten Werten berechnen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm IEC 60947-4 [0002]

Claims

Schutzsystem (1) zur thermischen Überwachen eines Motors (2), umfassend einen Mikrocontroller (5) und einen Kondensator (6), wobei der Mikrokontroller einen ersten, zweiten und dritten Anschluss (7, 8, 9) und einen Analog-Digital-Wandler (10) aufweist und der erste, zweite und dritte Anschluss (7, 8, 9) jeweils in einen hochohmigen Zustand schaltbar ist, wobei der erste Anschluss (7) auf eine Versorgungsspannung (Vdd), und eine Versorgungsmasse (Vss) des Schutzsystems (1) schaltbar ist, der zweite Anschluss (8) auf einen Analog-Digital-Wandler (10) des Mikrocontrollers (5) schaltbar ist und der dritte Anschluss (9) auf die Versorgungsmasse (Vss) schaltbar ist, wobei eine erste Elektrode des Kondensators (6) mit dem ersten Anschluss (7) und dem zweiten Anschluss (8) verbunden ist und eine zweite Elektrode des Kondensators (6) mit dem dritten Anschluss (9) verbunden ist.
Schutzsystem (1) nach Anspruch 1, wobei parallel zum Kondensator (6) ein Entladewiderstand (11) geschaltet ist.
Schutzsystem (1) nach Anspruch 2, wobei der Entladewiderstand (11) durch Entladepfade auf der Leiterplatte ausgebildet ist.
Schutzsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Versorgungsspannung (Vdd) des ersten Anschlusses (7) und der ersten Elektrode ein Ladewiderstand (12) geschaltet ist.
Schutzsystem (1) nach Anspruch 4, wobei der Ladewiderstand (12) innerhalb des Mikrocontrollers (5) ausgebildet ist.
Schutzsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste, zweite und dritte Anschluss (7, 8, 9) ein General Purpose Input-Output (GIPO) des Mikrocontrollers (5) ist.
Schutzsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb des Mikrocontrollers (5) der erste, zweite und dritte Anschluss jeweils mit zwei Feldeffekttransistoren (13) verbunden ist, so dass Vdd, Vss und ein hochohmiger Zustand geschalten werden kann.
Schutzsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kondensator (6) ein Keramikkondensator (6) ist.
Schutzsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schutzsystem (1) ferner einen nichtflüchtigen Speicher aufweist, in welchem eine maximale Spannung U_Cmax des Kondensators (6) oder ein aus der maximalen Spannung U_Cmax des Kondensators (6) abgeleiteter Wert MM_max hinterlegt ist.
Motorschutzrelais (4), welcher ein Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, wobei das Motorschutzrelais anhand eines Zustandes des Schutzsystems (1) einen mit dem Motorschutzrelais verbundenen Motor (2) einschalten und/oder ausschalten kann.
Verfahren zum thermischen Überwachen eines Motors (2) mit einem Schutzsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei im aktiven Zustand des Motors (2) der erste Anschluss (7) zumindest zeitweise auf die Versorgungsspannung (Vdd) und der dritte Anschluss (9) gegen die Versorgungsmasse (Vss) geschalten werden, so dass der Kondensator (6) aufgeladen wird, wobei im inaktiven Zustand des Motors (2) der erste, zweite und dritte Anschluss (7, 8, 9) den hochohmigen Zustand einnimmt, wobei bei einem Starten des Motors (2) der zweite Anschluss (8) auf den Analog-Digital-Wandler (10) und der dritte Anschluss (9) auf die Versorgungsmasse (Vss) geschalten wird und eine vorliegende Spannung des Kondensators (6) U_C zwischen dem zweiten Anschluss (8) und dem dritten Anschluss (8) ermittelt wird und anhand der ermittelten Spannung U_CStart ein Rückschluss auf die vorliegende Temperatur des Motors (2) erfolgt.
Verfahren zum thermischen Überwachen eines Motors (2) nach Anspruch 11, wobei eine maximale Spannung U_Cmax des Kondensators (6) oder ein aus der maximalen Spannung U_Cmax des Kondensators (6) abgeleiteter Wert MM_max in dem Speicher hinterleget ist, wobei U_CStart mit U_Cmax oder ein aus U_CStart abgeleiteter Wert MM_Start mit MM_max verglichen wird und sofern U_CStart größer gleich U_Cmax oder MM_Start größer gleich MM_max ist ein Starten des Motors (2) verhindert oder der Motor (2) abgeschaltet wird.
Verfahren zum thermischen Überwachen eines Motors (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei im aktiven Zustand der zweite Anschluss zumindest zeitweise auf den Analog-Digital-Wandler (10) geschaltet wird und das Schutzsystem (1) eine aktuell vorliegende Spannung des Kondensators (6) U_Cist ermittelt und U_Cist oder einen aus U_Cist abgeleiten Wert MM_ist in einem nichtflüchtigen Speicher des Schutzsystems (1) abspeichert.
Verfahren zum thermischen Überwachen eines Motors (2) nach Anspruch 13, wobei eine maximale Spannung U_Cmax des Kondensators (6) oder ein aus der maximalen Spannung U_Cmax des Kondensators (6) abgeleiteter Wert MM_max in dem Speicher hinterleget ist, wobei die aktuelle Spannung U_Cist des Kondensators (6) mit U_Cmax oder ein aus der aktuellen Spannung U_Cist abgeleiteter Wert MM_ist mit MM_max verglichen wird und sofern U_Cist größer gleich U_Cmax oder MM_ist größer gleich MM_max ist der Motor (2) abgeschaltet wird.
Verfahren zum thermischen Überwachen eines Motors (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei nach einem inaktiven Zustand des Motors (2) U_CStart mit U_Cist oder MM_Start mit MM_ist verglichen wird.
Verfahren zum thermischen Überwachen eines Motors (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei in dem Schutzsystem (1) mindestens eine Motorabkühlfunktion hinterlegt ist, wobei in Abhängigkeit eines verwendeten Motors (2) U_CStart oder MM_Start mit der Motorabkühlfunktion ausgeglichen wird.
Verfahren zum thermischen Überwachen eines Motors (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der Mikrocontroller (5) ein Erkennungsmittel aufweist, welches einen Energieverlust des Schutzsystems (1) vorzeitig erkennt und sofern ein Energieverlust erkannt wird der inaktive Zustand herbeigeführt wird.