DE102021212351A1

DE102021212351A1 - Vorrichtung und verfahren für einen zwischenkreis eines elektrischen antriebssystems

Info

Publication number: DE102021212351A1
Application number: DE102021212351.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Herterich; Heiko Peter; Thomas Reulbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2023-05-04

Abstract

Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen Zwischenkreis eines elektrischen Antriebssystems bereitgestellt. Die Vorrichtung hat eine Auswerteeinrichtung (38A) zum Auswerten, ob die Spannung (Uz) in dem Zwischenkreis (20) eine vorbestimmte Spannungsschwelle (UM1) überschreitet, deren Spannungswert kleiner als der Spannungswert einer maximalen Grenzspannungsschwelle (UB2) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) und größer als eine Nennspannung (UN) des Zwischenkreises (20) ist, und eine Ausgabeeinrichtung (38B) zur Aktivierung eines Motorphasenkurzschlusses durch ein elektrisches Antriebsregelgerät (30) des elektrischen Antriebssystems (5), wenn die Auswerteeinrichtung (38A, 39) auswertet, dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) größer als die maximale Grenzspannungsschwelle (UB2) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) ist, wobei die Vorrichtung (38) für den Fall eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung (38A, 39), dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) die vorbestimmte Spannungsschwelle (UM1) überschreitet, ausgestaltet ist, eine Regelung in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom (I) in Wicklungen (40C) des Motors (40A) und der Drehzahl (n) des Motors (40A) und der Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) durchzuführen, um den Energierückfluss aus einer elektrischen Antriebseinrichtung (40) des elektrischen Antriebssystems (5) in den Zwischenkreis (20) zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) nicht erhöht und/oder verringert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen Zwischenkreis eines elektrischen Antriebssystems, wobei das Verfahren insbesondere einsetzbar ist, um Überspannungen im Zwischenkreis auch bei kleiner Zwischenkreiskapazität zu vermeiden.
Elektrische Antriebssysteme haben in der Regel einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, der zwischen eine Energieeinspeisung und eine Antriebseinrichtung als elektrische Last geschaltet ist. Im Gleichspannungs-Zwischenkreis wird eine Zwischenkreiskapazität verwendet. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis ermöglicht zusammen mit einem Umrichter, dass der Antriebseinrichtung ein elektrischer Strom und eine elektrische Spannung mit vorbestimmten elektrischen Größen zugeführt werden kann, die unabhängig von den elektrischen Größen der Versorgungsspannung sind. Die vorbestimmten elektrischen Größen sind insbesondere Amplitude, Frequenz, usw.
Die Energieeinspeisung erfolgt beispielsweise aus einem Versorgungsnetz über einen Umrichter oder von einer sonstigen Energiequelle, wie einer Batterie oder einem Generator. Die Antriebseinrichtung einer, insbesondere mobilen, Arbeitsmaschine ist möglicherweise ein einphasiger oder dreiphasiger Motor, der über einen Wechselrichter mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis verbindbar ist. Der Motor kann bei Bedarf alternativ als Generator betrieben werden. Ein solcher Generatorbetrieb ist insbesondere bei einer mobilen Arbeitsmaschine, wie einem Bagger oder Radlader oder Teilehandhabungsmaschine, möglich, um Bremsenergie wiederzugewinnen.
Durch das Abschalten eines Motors an dem Umrichter entladen sich die Induktivitäten der Antriebseinrichtung bzw. des Motors. Die Energie fließt zurück in den Zwischenkreis des Umrichters. Daher ist die Zwischenkreiskapazität ausreichend groß zu bemessen, um die induktive Energie der Motorwicklungen aufnehmen zu können, ohne dass die Zwischenkreisspannung unzulässig hohe Werte erreicht.
Die Zwischenkreiskapazität ist auch größer zu wählen, wenn eine der folgenden Konfigurationen des Antriebssystems vorhanden ist. Wird zur Versorgung des Zwischenkreises ein Gleichrichter verwendet, ist ein Rückspeisen der überschüssigen Energie in das Versorgungsnetz nicht möglich. Dasselbe gilt bei der Verwendung von Energiequellen zur Versorgung der Antriebseinrichtung, die nur für eine Energieabgabe ausgelegt sind. Auch bei der Verwendung eines rückspeisefähigen Versorgungsgerätes (AFE) kann die Regelung zu langsam sein, um den schnellen Anstieg der Zwischenkreisspannung zu verhindern, der beispielsweise bei der Fehlerreaktion auftritt.
Ist die Zwischenkreiskapazität ausreichend groß, kann im Fehlerfall oder Abschaltfall (= Deaktivierung Freigabe Antriebsregelgerät) die Endstufe deaktiviert werden (= Momentenfreischaltung = Austrudeln der Antriebseinrichtung), ohne dass die Zwischenkreisspannung unzulässig ansteigt. Bei zu kleiner Zwischenkreiskapazität kann im Fehlerfall oder Abschaltfall ein Motorphasenkurzschluss geschaltet werden, um Schäden an der Antriebseinrichtung und/oder dem übergeordneten Gerät, wie einer Arbeitsmaschine, zu vermeiden. Durch den Motorphasenkurzschluss wird die Energie der Wicklungen des Motors in Wärme umgewandelt. Dadurch kann die Energie nicht zurück in den Zwischenkreis fließen. Hierdurch kann eine Erhöhung der Zwischenkreisspannung vermieden werden.
Somit ist derzeit eine große bzw. höhere Zwischenkreiskapazität erforderlich, um zusätzliche Energie aufzunehmen, die im Fehlerfall oder Abschaltfall durch Entladung der Motorinduktivitäten entstehen kann. Hierzu werden aus Platzgründen in der Regel Elektrolytkondensatoren verwendet, die eine geringere Lebensdauer aufweisen.
Im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen, wie insbesondere einem Bagger oder Radlader oder einer Teilehandhabungsmaschine oder dergleichen, soll auf die Verwendung von Elektrolytkondensatoren verzichtet werden. Folglich sind sowohl aus Platzgründen wie auch aus Kostengründen nur kleinere Zwischenkreiskapazitäten möglich. Dadurch sind zusätzliche Schutzvorrichtungen zur Begrenzung von Überspannungen erforderlich, wie beispielsweise ein Bremswiderstand (Bleeder) zur Umwandlung eines Teils der Energie im Zwischenkreis in Wärme. Dies ist jedoch aus Platzgründen und Kostengründen kontraproduktiv und folglich unerwünscht.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen Zwischenkreis eines elektrischen Antriebssystems bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren für einen Zwischenkreis eines elektrischen Antriebssystems bereitgestellt werden, welche einen Zwischenkreis gegen Überspannungen schützen können, auch wenn die Zwischenkreiskapazität zur Aufnahme der Energie zu klein ist, die aufgrund der Konstruktion des elektrischen Antriebssystems und deren Betrieb gegebenenfalls in den Zwischenkreis eingespeist werden könnte.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung für einen Zwischenkreis eines elektrischen Antriebssystems nach Anspruch 1 gelöst. Die Vorrichtung hat eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten, ob die Spannung in dem Zwischenkreis eine vorbestimmte Spannungsschwelle überschreitet, deren Spannungswert kleiner als der Spannungswert einer maximalen Grenzspannungsschwelle für die Spannung im Zwischenkreis und größer als eine Nennspannung des Zwischenkreises ist, und eine Ausgabeeinrichtung zur Aktivierung eines Motorphasenkurzschlusses durch ein elektrisches Antriebsregelgerät des elektrischen Antriebssystems, wenn die Auswerteeinrichtung auswertet, dass die Spannung im Zwischenkreis größer als die maximale Grenzspannungsschwelle für die Spannung im Zwischenkreis ist, wobei die Vorrichtung für den Fall eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung, dass die Spannung im Zwischenkreis die vorbestimmte Spannungsschwelle überschreitet, ausgestaltet ist, eine Regelung in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom in Wicklungen des Motors und der Drehzahl des Motors und der Spannung im Zwischenkreis durchzuführen, um den Energierückfluss aus einer elektrischen Antriebseinrichtung des elektrischen Antriebssystems in den Zwischenkreis zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung im Zwischenkreis nicht erhöht und/oder verringert wird.
Durch die beschriebene Ausgestaltung der Vorrichtung kann auch mit geringer Zwischenkreiskapazität der Geräteschutz, insbesondere für eine Arbeitsmaschine, gewährleistet werden. Der Motorphasenkurzschluss wird nur dann ausgeführt, wenn unzulässig hohe Spannungen für den Zwischenkreis drohen. Noch dazu ermöglicht die Vorrichtung eine sichere Rückkehr aus dem Motorphasenkurzschluss, ohne dass sich dadurch bei noch vorhandenem Stromfluss im Motor wieder eine Überspannung ergibt und erneut ein Motorphasenkurzschluss eingeleitet werden muss.
Mit der Vorrichtung ist es sehr vorteilhaft möglich, im Fehlerfall oder beim Abschalten der Reglerfreigabe den Motorphasenkurzschluss nicht bis zum Stillstand des Motors durchzuführen. Dabei ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass problemlos ein Motorphasenkurzschluss wieder aufgehoben werden kann, wenn die Zwischenkreisspannung unterhalb die zulässige maximale Schwelle der Zwischenkreisspannung absinkt. Diese Schwelle kann auch als Zwischenkreisspannungsmaximalschwelle bezeichnet werden.
Die Vorrichtung kann durch einen Motorphasenkurzschluss im Wechselspiel mit einer Leistungsbegrenzung bei der Fehlerreaktion oder bei der Deaktivierung der Freigabe eines Antriebsregelgeräts des Motors Überspannungen im Zwischenkreis verhindern, ohne dass ein Motorphasenkurzschluss bis zum Stillstand und ein Abklingen des Motorstroms eingeleitet werden muss. Somit kann eine Spannungserhöhung, die im Laufe des Stillsetzvorgangs des elektrischen Antriebssystems aufgrund von aus den Motorinduktivitäten in den Zwischenkreis fließender Energie erzeugt wird, in den Grenzen gehalten werden, bei welchen keine Schäden an dem Antriebssystem entstehen.
Damit ist das System nicht mehr gezwungen, in den wichtigen Betriebsfällen, wie Deaktivierung der Freigabe des Motors, was dem Abschalten einer Freigabe eines Antriebsreglers für den Motor entspricht, oder im Fehlerfall, einen Motorphasenkurzschluss einzuleiten, bis der Motor zum Stillstand gekommen ist bzw. bis der vom Motor zum Zwischenkreis fließende elektrische Strom abgeklungen ist. Stattdessen ist insbesondere bei mobilen Anwendungen ein Austrudeln (Freilauf) mindestens eines Motors möglich. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer mobilen Arbeitsmaschine, wie einem Bagger oder Radlader oder einer Teilehandhabungsmaschine (Teilehandler) oder dergleichen.
Die Vorrichtung kann somit den unerwünschten Effekt vermeiden, dass der Motor durch das Bremsverhalten des Motorphasenkurzschlusses sehr schnell zum Stillstand kommt und kein Austrudeln des Motors realisierbar ist.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Möglicherweise ist die Auswerteeinrichtung zudem zum Auswerten ausgestaltet, ob die Spannung im Zwischenkreis den Spannungswert der maximalen Grenzspannungsschwelle für die Spannung im Zwischenkreis überschreitet.
Die Auswerteeinrichtung kann zudem zum Auswerten ausgestaltet sein, ob die Spannung im Zwischenkreis eine vorbestimmte Spannung unterschreitet, die ein Motor der elektrischen Antriebseinrichtung aufgrund einer Rotorflussverkettung erzeugen würde, wobei die Vorrichtung ausgestaltet ist, mit der Ausgabeeinrichtung keinen Motorphasenkurzschluss des elektrischen Antriebsregelgeräts zu aktivieren oder einen aktivierten Motorphasenkurzschluss aufzuheben, wenn die Auswerteeinrichtung auswertet, dass die Spannung im Zwischenkreis nicht die vorbestimmte Spannung übersteigt.
Die Vorrichtung kann ausgestaltet sein, den elektrischen Strom in den Wicklungen des Motors solange zu verringern, bis die Spannung im Zwischenkreis kleiner als die vorbestimmte Schwelle abzüglich einer vorbestimmten Hystereseschwelle wird, insbesondere da der elektrische Strom und damit der Leistungszufluss in den Zwischenkreis kleiner ist als der Leistungsabfluss aus dem Zwischenkreis, und dann den vom elektrischen Antriebsregelgerät angesteuerten Motorphasenkurzschluss zu deaktivieren.
In einer Ausgestaltung ist die Auswerteeinrichtung zudem zum Auswerten ausgestaltet, ob die Spannung in dem Zwischenkreis zwischen einer oberen und unteren vorbestimmten Spannungsschwelle liegt, deren Spannungswerte kleiner als der Spannungswert der maximalen Grenzspannungsschwelle für die Spannung im Zwischenkreis und größer als die Nennspannung des Zwischenkreises ist, wobei die Vorrichtung für den Fall eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung, dass die Spannung im Zwischenkreis zwischen der oberen und unteren vorbestimmten Spannungsschwelle liegt, ausgestaltet ist, eine Regelung in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom in Wicklungen des Motors und der Drehzahl des Motors und der Spannung im Zwischenkreis durchzuführen, um den Energierückfluss aus der elektrischen Antriebseinrichtung in den Zwischenkreis zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung im Zwischenkreis nicht erhöht und/oder verringert wird.
Die Vorrichtung kann ausgestaltet sein, bei der Regelung den elektrischen Strom in den Wicklungen des Motors auf Null zu regeln, um den Energierückfluss aus der elektrischen Antriebseinrichtung in den Zwischenkreis zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung im Zwischenkreis nicht erhöht und/oder verringert wird.
Zusätzlich oder alternativ ist die Vorrichtung ausgestaltet, die Regelung bei einer Deaktivierung der Freigabe eines Betriebs des Motors oder im Fehlerfall abhängig vom Ausgangszustand des elektrischen Antriebsregelgeräts durchzuführen, um den Energierückfluss aus der elektrischen Antriebseinrichtung in den Zwischenkreis zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung im Zwischenkreis nicht erhöht und/oder verringert wird.
Denkbar ist, dass die Regelung eine Regelung zur Leistungsbegrenzung ist, mit welcher der Energierückfluss aus der elektrischen Antriebseinrichtung in den Zwischenkreis verringert oder gestoppt wird, so dass die Spannung im Zwischenkreis nicht erhöht und/oder verringert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ausgestaltet, den Energiefluss aus der Antriebseinrichtung in den Zwischenkreis bei Einleiten eines Stillsetzvorgangs des Antriebssystems zu schätzen, der bei einer Deaktivierung einer Endstufe des elektrischen Antriebssystems auftreten kann, wobei die Vorrichtung ausgestaltet ist, bereits bei kleineren Spannungen als die Grenzspannung im Zwischenkreis den Motorphasenkurzschlusses des elektrischen Antriebsregelgerätes zu aktivieren, wenn aufgrund des Schätzergebnisses absehbar ist, dass der Energierückfluss in den Zwischenkreis beim Einleiten der Deaktivierung der Endstufe in jedem Fall zu einer Verletzung der maximalen Grenzspannungsschwelle und/oder der oberen vorbestimmten Spannungsschwelle für die Spannung im Zwischenkreis führen wird. Zusätzlich oder alternativ ist die Vorrichtung optional ausgestaltet, den Motorphasenkurzschluss aufzuheben, wenn aufgrund eines zyklisch neu ermittelten Schätzergebnisses absehbar ist, dass der Energierückfluss in den Zwischenkreis die Grenzspannung nicht mehr überschreiten wird.
Möglicherweise ist die Auswerteeinrichtung zudem zum Auswerten ausgestaltet ist, ob eine Spannung im Zwischenkreis eine vorbestimmte minimale Spannungsschwelle für die Spannung im Zwischenkreis unterschreitet oder nicht.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung kann Teil eines Antriebssystems sein, das zudem mindestens einen Motor aufweist.
Das Antriebssystem kann zudem aufweisen einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, eine Endstufe, und eine Steuer- und Regeleinheit aufweisen, die zusammen mit der Endstufe zum Wandeln einer Zwischenkreisspannung des Gleichspannung-Zwischenkreises in eine Wechselspannung für den mindestens einen Motor ausgestaltet ist. Optional kann das Antriebssystem zudem eine Erfassungseinrichtung aufweisen zur Erfassung von Strömen an dem mindestens einen Motor und/oder der vorbestimmten Spannung, die ein Motor der elektrischen Antriebseinrichtung aufgrund einer Rotorflussverkettung erzeugen würde. Die Endstufe kann zwischen den mindestens einen Motor und den Zwischenkreis geschaltet sein.
Das zuvor beschriebene Antriebssystem kann Teil einer mobilen Arbeitsmaschine sein, wobei der Gleichspannung-Zwischenkreis eine Energiespeichereinheit mit einer kleineren Kapazität aufweist, als für die Aufnahme von Energie erforderlich ist, die im Betrieb des mindestens einen Motors gegebenenfalls in den Gleichspannungs-Zwischenkreis gespeist wird.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch eine Vorrichtung für einen Zwischenkreis eines elektrischen Antriebssystems nach Anspruch 14 gelöst. Das Verfahren hat die Schritte Auswerten, mit einer Auswerteeinrichtung, ob die Spannung in dem Zwischenkreis eine vorbestimmte Spannungsschwelle überschreitet, deren Spannungswert kleiner als der Spannungswert einer maximalen Grenzspannungsschwelle für die Spannung im Zwischenkreis und größer als eine Nennspannung des Zwischenkreises ist, Aktivieren, mit einer Ausgabeeinrichtung, eines Motorphasenkurzschlusses durch ein elektrisches Antriebsregelgerät des elektrischen Antriebssystems, wenn die Auswerteeinrichtung auswertet, dass die Spannung im Zwischenkreis größer als die maximale Grenzspannungsschwelle für die Spannung im Zwischenkreis ist, und Durchführen, für den Fall eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung, dass die Spannung im Zwischenkreis die vorbestimmte Spannungsschwelle überschreitet, einer Regelung in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom in Wicklungen des Motors und der Drehzahl des Motors und der Spannung im Zwischenkreis, um den Energierückfluss aus einer elektrischen Antriebseinrichtung des elektrischen Antriebssystems in den Zwischenkreis zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung im Zwischenkreis nicht erhöht und/oder verringert wird.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren kann zyklisch durchgeführt werden, wobei ausgewertet wird, ob in einem vorangehenden Zyklus ein Motorphasenkurzschluss aktiviert war oder nicht.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich des Ausführungsbeispiels beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines elektrischen Antriebssystems mit einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ein Beispiel für einen Verlauf einer Zwischenkreisspannung über der Zeit, der von der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird;
3 ein Blockschaltbild mit Signalen, die bei einem Verfahren auszuwerten sind, das von der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird;
4 ein Flussdiagramm des Verfahrens das von der Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird;
5 ein Zustandsdiagramm eines Gerätezustandsautomats, welcher eine Stillsetzung des Antriebs und damit einen Fehler- bzw. Abschaltfall managed; und
6 ein Flussdiagramm des Verfahrens das von der Vorrichtung gemäß dem zweitem Ausführungsbeispiel ausgeführt wird.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine technische Anlage 1, in oder mit welcher ein Arbeits- und/oder Fertigungsverfahren auszuführen ist. Hierbei wird die technische Anlage 1 von einer Steuervorrichtung 3 gesteuert. Die technische Anlage 1 kann eine mobile Arbeitsmaschine sein, wie ein Bagger oder ein Radlader oder eine Teilehandhabungsmaschine (Teilehandler) oder dergleichen oder ein mobiles Werkzeug. Insbesondere ist die technische Anlage 1 ein Roboter. Es ist jedoch alternativ möglich, dass die technische Anlage 1 eine industrielle Anlage ist.
Die Steuervorrichtung 3 ist zumindest teilweise als Software ausführbar. Zur Ausführung der Software hat die Steuervorrichtung 3 eine zentrale Verarbeitungseinheit 3A (CPU), wie beispielsweise einen Mikroprozessor mit einem Arbeitsspeicher, und eine Speichereinrichtung 3B zur Speicherung von Daten 4.
Das Arbeitsverfahren ist insbesondere ein Transportverfahren oder Druckverfahren, usw.. Bei einem Fertigungsverfahren ist beispielsweise eines der Arbeitsverfahren ausführbar und/oder mit mindestens einem Werkzeug, wie einem Drehwerkzeug und/oder Fräswerkzeug und/oder einem Fügewerkzeug mindestens ein Werkstück behandelbar. Das Fügewerkzeug ist insbesondere ein Schweißwerkzeug oder ein Nietwerkzeug oder ein Schraubwerkzeug, usw.. Das Werkzeug ist insbesondere eine mobile Arbeitsmaschine.
Die industrielle Anlage 1 oder Maschine umfasst ein Antriebssystem 5, welches bei der Ausführung des Arbeits- und/oder Fertigungsverfahrens zum Einsatz kommt. Das Antriebssystem 5 wird von einem elektrischen Energieversorger 10 mit elektrischer Energie versorgt. Das Antriebssystem 5 hat mindestens eine Erfassungseinrichtung 7, mindestens einen elektrischen Zwischenkreis 20, mindestens ein Antriebsregelgerät 30, 301, 302, 30M, und mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401, 402 bis 40M, wobei M ganz allgemein eine natürliche Zahl gleich oder größer 1 ist. Zudem ist eine Bedienvorrichtung 50 vorgesehen.
Das mindestens eine Antriebsregelgerät 30, 301, 302, 30M hat zusätzlich zu dem Zwischenkreis 20 eine Steuer- und Regeleinheit 37, eine Vorrichtung 38 und eine Endstufe 300. Die Endstufe 300 ist insbesondere ein Wechselrichter.
Die mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401, 402 bis 40M kann mindestens einen Motor 40A mit Geber und/oder Codierers 40B aufweisen. Der Motor 40A hat Motorwicklungen 40C, die in 1 nur schematisch dargestellt sind. Der Aufbau der Antriebseinrichtung 40, 401, 402 bis 40M ist in 1 zur Vereinfachung der Darstellung nur für die Antriebseinrichtung 40 gezeigt. Im Betrieb bewirkt der Motor 40A aufgrund von elektrischen Strömen I, genauer I1, I2, I3, in den Motorwicklungen 40C und geregelt unter Verwendung von Daten 4 möglicherweise eine Bewegung einer Last 9 der industriellen Anlage 1. Für die Regelung sind als Daten 4 die Erfassungsergebnisse der Erfassungseinrichtung 7 verwendbar, wie die elektrischen Ströme I in den Motorwicklungen 40C, und/oder Daten 4 des Gebers und/oder Codierers 40B, wie Position und/oder Winkel der Last 9 im Raum und/oder relativ zu einem Bezugspunkt. Die Last 9 ist beispielsweise eine Maschinenachse und damit verbundene Elemente oder die Maschinenachse kontaktierende Elemente. Aufgrund der Regelung kann insbesondere ein Werkstück und/oder Material transportiert werden und/oder ein Werkstück und/oder Material bearbeitet werden und/oder ein Rührwerk betrieben werden, usw.
Die Bedienvorrichtung 50 ist beispielsweise als berührungsempfindlicher Bildschirm ausgestaltet. Die Bedienvorrichtung 50 kann an dem Antriebssystem 5 als separates Bedienfeld ausgestaltet sein. Die Bedienvorrichtung 50 ist alternativ oder zusätzlich jedoch in ein beliebiges Endgerät, wie einen Personalcomputer (PC), einen tragbaren PC, ein Laptop, ein Smartphone, ein Tablet-PC usw., integriert. Zusätzlich oder alternativ kann die Bedienvorrichtung 50 oder eine weitere Bedienvorrichtung extern von dem Antriebssystem 5 angeordnet sein.
Im Betrieb wird das Antriebssystem 5 von dem elektrischen Energieversorger 10, insbesondere aus einem Netz mit den Phasen N1, N2, N3, mit elektrischer Energie versorgt. Ist die technische Anlage 1 eine mobile Arbeitsmaschine, wie ein Bagger oder ein Radlader oder eine Teilehandhabungsmaschine (Teilehandler) oder dergleichen oder ein mobiles Werkzeug, ist der elektrische Energieversorger 10 beispielsweise ein Generator und/oder eine Batterie. Die elektrische Energie wird in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 20 mit einer Zwischenkreis-Kapazitätseinheit als Energiespeichereinheit 21 zwischengespeichert. Die Energiespeichereinheit 21 ist bei dem Beispiel von 1 ein Kondensator mit einer Kapazität C.
Der elektrische Energieversorger 10 ist, je nach Ausgestaltung gegebenenfalls ein rückspeisefähiger Versorger. In dem elektrischen Energieversorger 10 ist optional eine Energiemanagement-Vorrichtung 15 vorgesehen, welche netzseitige Strom- und Leistungsspitzen und damit Netzrückwirkungen reduziert. Hierfür begrenzt die Energiemanagement-Vorrichtung 15 den maximalen für das Antriebssystem 5 bereitgestellten elektrischen Strom auf das x-fache des Nennstroms der mindestens einen Antriebseinrichtung 40, 401, 402 bis 40M. Die resultierende Differenz aus angeforderter Energie pro Zeit (Leistung) der mindestens einen Antriebseinrichtung 40, 401, 402 bis 40M abzüglich der vom Versorger 10 bereitgestellten Energie pro Zeit (Leistung), also PLast - PVersorger, wird mit der Energiespeichereinheit 21 und gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Energiespeichereinheit abgedeckt. Ist die zusätzliche Energiespeichereinheit und gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Energiespeichereinheiten direkt mit dem Zwischenkreis 20 verbunden, ergibt sich eine floatende oder schwankende Zwischenkreisspannung. Mit dem Einsatz eines Gleichspannung/Gleichspannung-Wandlers oder eines rückspeisefähigen Versorgers (AFE) kann die Spannung Uz im Zwischenkreis 20 konstant auf einem gewünschten Wert gehalten werden.
Die Energiemanagement-Vorrichtung 15 kann somit in Zusammenwirken mit der Zwischenkreis-Energiespeichereinheit 21 und einer gegebenenfalls vorhandenen zusätzlichen Energiespeichereinheit dafür sorgen, dass auch für Anwendungsfälle, bei denen die mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401, 402 bis 40M große Leistungsspitzen im Zwischenkreis 20 verursacht, große netzseitige Stromspitzen und die dadurch verursachten Netzrückwirkungen reduziert werden.
Die Endstufe 300 hat bei dem Beispiel von 1 eine B6-Brücke mit sechs Steuereinheiten 31 bis 36. Die Steuereinheiten 31 bis 36 haben jeweils mindestens einen leistungselektronischen Schalter, insbesondere einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, (MOSFET) oder einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) oder einen Thyristor. Die Steuereinheiten 31 bis 36 bei dem Beispiel von 1 haben jeweils eine Parallelschaltung aus einem Transistor und einer Diode.
Die Steuer- und Regeleinheit 37 wird von der Vorrichtung 38 und der Steuereinrichtung 3 angesteuert. Hierbei empfängt die Steuer- und Regeleinheit 37 von der Steuereinrichtung 3 als Daten 4 die Sollwerte, insbesondere Lage/Winkel, Geschwindigkeit/Drehzahl oder Kraft/Drehmoment) aus der die drei Spannungsphasen U1, U2, U3 der Antriebseinrichtung 40 gebildet werden. Die Steuer- und Regeleinheit 37 kann eine Pulsweitenmodulation (PWM) für die drei Phasen U1, U2, U3 der Antriebseinrichtung 40 durchführen. Dabei erzeugt die Steuer- und Regeleinheit 37 veränderliche Spannungen für die drei Phasen U1, U2, U3 der Antriebseinrichtung 40. Die Steuer- und Regeleinheit 37 kann die Amplitude und die Frequenz der drei Spannungsphasen U1, U2, U3 der Antriebseinrichtung 40 regeln.
Die Antriebsregelgeräte 301, 302 bis 30M sind möglicherweise auf dieselbe Weise ausgestaltet wie das Antriebsregelgerät 30. Ist mindestens eine der Antriebseinrichtungen 401, 402 bis 40M ein einphasiger Motor, kann das zugehörige Antriebsregelgerät 301, 302 bis 30M eine B2-Brücke aufweisen, die nur die Steuereinheiten 31, 32, 34, 35 hat. Unabhängig davon gilt die nachfolgende Beschreibung zum Antriebsregelgerät 30 und dessen Elemente 31 bis 39 sowie der Antriebseinrichtung 40 entsprechend auch für die Antriebsregelgeräte 301, 302 bis 30M und die zugehörigen Antriebseinrichtungen 401, 402 bis 40M.
Die Vorrichtung 38 ist mit einer Überwachungsfunktion ausgestattet. Diese Funktion ist derart nahe bei der Antriebsregelung durchführbar, dass eine unaufwändige Signalübergabe zwischen Motorregelung, Zustandsautomat (Reglerfreigabe, Fehler, usw.) und Überwachung/Geräteschutz möglich ist. Hierbei teilt die Vorrichtung 38 (Überwachung/Geräteschutz) dem Antriebsregelgerät 30 und/oder der Steuer- und Regeleinheit 37 (Motorregelung, Zustandsautomat) mit, wann der Motorphasenkurzschluss aktiv ist, damit das Antriebsregelgerät 30 sich dementsprechend anpassen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Überwachungsfunktion zumindest teilweise von einer antriebsinternen Steuerung der Antriebseinrichtung 40 ausführbar sein. Bei mehr als einer Antriebseinrichtung 40 kann also auch mehr als eine Vorrichtung 38 und/oder Steuer- und Regeleinheit 37 vorhanden sein. Die Überwachungsfunktion der Vorrichtung 38 bewirkt eine Spannungsüberwachung der Spannung Uz im Zwischenkreis 20, was in Bezug auf 2 bis 4 noch genauer beschrieben ist.
Die Vorrichtung 38 hat eine Auswerteeinrichtung 38A, eine Ausgabeeinrichtung 38B und eine Speichereinrichtung 38C. Die Vorrichtung von 1 ist zumindest teilweise als Software ausführbar, die in der Speichereinrichtung 38C als Daten 39 gespeichert ist. In der Speichereinrichtung 38C sind als Daten 39 auch sonstige Daten gespeichert oder speicherbar. Derartige sonstige Daten sind beispielsweise Parameter zum Betrieb des Antriebssystems 5, die bei der Ausführung der Software 39 verwendet werden. Die Vorrichtung 38 ist nachfolgend detaillierter beschrieben. Alternativ kann die Vorrichtung 38 mit der Steuer- und Regeleinheit 37 kombiniert sein.
Im Betrieb des Antriebssystems 5 dient die Energiemanagement-Vorrichtung 15 dazu, netzseitige Leistungsspitzen zu reduzieren, wie zuvor beschrieben. Zudem dient die Vorrichtung 38 dazu, Überspannungen im Zwischenkreis 20 zu vermeiden.
Befindet sich der Versorger 10 an seiner durch die Vorrichtung 15 eingestellten Leistungsgrenze, beginnt die Zwischenkreisspannung Uz im Zwischenkreis 20 zu sinken. Infolgedessen speist die Energiespeichereinheit 21 Energie in das Antriebssystem 5 ein. Die Menge der von der Energiespeichereinheit 21 in das Antriebssystem 5 eingespeisten Energie pro Zeit, also der Leistung PCap berechnet sich als $PCap = PLast - PVersorger,$
wobei PLast die von der mindestens einen Antriebseinrichtung 40, 401, 402 bis 40M angeforderte Leistung plus Verluste in der mindestens einen Endstufe 30, 301 bis 30M ist und PVersorger die von dem Versorger 10 bereitgestellte Leistung ist.
Der Einbruch der Zwischenkreisspannung Uz im Zwischenkreis 20 ist abhängig von der Leistung PCap, die über die Energiespeichereinheit 21 zur Verfügung gestellt werden muss, und der installierten Kapazität C der Energiespeichereinheit 21. Je größer die installierte Kapazität C der Energiespeichereinheit 21 ist, desto geringer ist der Spannungseinbruch der Zwischenkreisspannung Uz.
2 veranschaulicht den Verlauf der Zwischenkreisspannung Uz über der Zeit t für ein spezielles Beispiel. Die Zwischenkreisspannung Uz hat für die meiste Zeit t eine Nennspannung U_N. Die Nennspannung U_N entspricht einem typischen Wert für die Spannung Uz im Zwischenkreis 20, auf welche das Antriebssystem 5 im Normalbetrieb geregelt wird. Nur für jeweils eine vorbestimmte Zeitdauer nach den Zeiten t1 bis t8 weicht die Zwischenkreisspannung Uz von dem Nennspannungswert U_N ab. Die Zwischenkreisspannung Uz hat jedoch immer einen Wert in einem Toleranzband U_B2 - U_B1, das zwischen einem unteren Spannungsgrenzwert U_B1 und einem oberen Spannungsgrenzwert U_B2 liegt. Überspannungen, wie in dem mit K2 bezeichneten Bereich, kann die Vorrichtung 38 durch Überwachung der Grenzschwellen U_M0, U_M1 und einer Hysteresespannungsschwelle oder Hystereseschwelle Uh vermeiden, wie nachfolgend anhand von 4 noch ausführlicher beschrieben wird. Die Vorrichtung 38 verwendet die Schwellen U_B2, U_B1, U_M0, U_M1, Uh unabhängig vom Betriebsfall des Antriebssystems 5.
Eine Überspannung, wie in dem mit K2 bezeichneten Bereich in 2 gezeigt, kann eine Überspannung im Normalbetrieb des Antriebssystems 5 sein. Im Normalbetrieb muss die Steuervorrichtung 3 durch entsprechende Sollwertvorgabe dafür sorgen, dass die Zwischenkreisspannung Uz die gesetzten Grenzen U_B2, U_B1 nicht verletzt. Im Normalbetrieb setzt die Einheit 37, nach Vorgabe durch die Steuervorrichtung 3, den Motor 40A still, bevor „abgeschaltet“ wird, wie folgt. Die Vorrichtung 38 muss nur bei den Sonderfällen aktiv werden a) Vorrichtung 38 erkennt eine Überspannung im Zwischenkreis (Uz > U_B2) und leitet einen Fehler ein (führt zu Fall b)) b) das Antriebssystem 5 oder das übergeordnete Gerät muss aufgrund eines Fehlers „abgeschaltet“ werden, oder c) das Antriebssystem 5 oder das übergeordnete Gerät wird regulär „abgeschaltet“. Unter „Abschaltung“ ist hierbei zu verstehen, dass die Halbleiterschalter der Endstufe 300 nicht mehr angesteuert werden. Ist die Zwischenkreiskapazität C geringer als erforderlich, um die Energie aus den Motorinduktivitäten L des Motors 40A aufzunehmen, darf die Vorrichtung 38 keine derartige „Abschaltung“ ansteuern. Stattdessen muss die Vorrichtung 38 zuerst durch einen Motorphasenkurzschluss dafür sorgen, dass der Strom I und Drehzahl n des Motors 40A reduziert werden. Andernfalls entsteht eine Überspannung im Zwischenkreis 20, die die Komponenten des Antriebssystems 5 schädigen kann.
Bei dem speziellen Beispiel von 2 wird von der mindestens einen Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M bei den Zeitpunkten t1, t2, t4, t6, t7 eine vergleichsweise kleine Energiemenge angefordert, die von der Energiespeichereinheit 21 bereitgestellt wird. Somit sinkt die Zwischenkreisspannung Uz für die Zeit der Bereitstellung der Energie und die darauffolgende Zeit zum Wiederaufladen der Energiespeichereinheit 21 nur wenig unter den Nennspannungswert U_N ab. Dagegen muss die Energiespeichereinheit 21 nach dem Zeitpunkt t3 eine vergleichsweise große Energiemenge zur Energieversorgung der mindestens einen Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M bereitstellen. Somit sinkt die Zwischenkreisspannung Uz für die Zeit der Bereitstellung der Energie und die darauffolgende Zeit zum Wiederaufladen der Energiespeichereinheit 21 deutlich unter den Nennspannungswert U_N, nämlich bis jeweils nahe an den unteren Spannungsgrenzwert U_B1 ab. Dieser Bereich ist in 2 mit K1 bezeichnet. Bei dem Zeitpunkt t8 kann dagegen die mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M, beispielsweise durch Bremsen eines Motors, so viel Energie bereitstellen, dass die Zwischenkreisspannung Uz kurzzeitig über ihren Nennspannungswert U_N ansteigt. Die Überspannung, gemäß der mit K2 bezeichneten Spannungsspitze, wird mit der Steuervorrichtung 3 in Verbindung mit Einheit 37 vermieden, wie zuvor erläutert.
Die zugeführte oder entnommene Energie in der Energiespeichereinheit 21 berechnet sich als: $Δ E = \frac{1}{2} * C * (U_{2}^{2} - U_{1}^{2}) \to U_{2} = \sqrt (U_{1}^{2} +^{2 Δ E} /c),$
wobei ΔE für die zugeführte oder entnommene Energie steht, C für die (installierte) Kapazität der Energiespeichereinheit 21 steht, U₁ für die Spannung vor der Aufladung/Entladung steht und U₂ für die Spannung nach der Aufladung/Entladung steht.
Über der Zeit t kommt es mit der Zeit zu einer Alterung der Energiespeichereinheit 21, was mit einem Kapazitätsverlust einhergeht. Bei gleichbleibendem Lastprofil des Antriebssystems 5 bedeutet das, dass die Zwischenkreisspannung Uz bei Funktion der Vorrichtung 15 stärker einbricht (Entladung) oder stärker ansteigt (Aufladung), da der Faktor ^2ΔE/_C größer wird. In Folge dessen verschieben sich die Spannungsspitzen von 2 weiter nach unten (Entladung) oder nach oben (Aufladung).
Die Vorrichtung 38 ist derart ausgestaltet, dass sie eine Überwachung der Zwischenkreisspannung Uz permanent oder intermittierend durchführt, also zumindest in vorbestimmten Abständen. Für die Überwachung kann eine kontinuierliche Erfassung der Zwischenkreisspannung Uz mit einer Erfassungseinrichtung 7 vorgenommen werden, indem die Erfassung entweder ununterbrochen oder mit einer vorbestimmten Abtastrate durchgeführt wird. Dadurch kann die Erfassung insbesondere in Echtzeit erfolgen. Die Erfassungseinrichtung 7 und/oder der Geber und/oder Codierers 40B sind/ist derart ausgestaltet, dass eine Erfassung von physikalischen Größen des Antriebssystems 5 permanent oder intermittierend durchgeführt wird, also zumindest in vorbestimmten Abständen.
3 zeigt ein Blockschaltbild zu Signalen, welche bei dem Antriebssystem 5 verwendet werden, wenn die Vorrichtung 38 ein Verfahren von 4 ausführt.
Gemäß 3 empfängt die Vorrichtung 38 an ihrem Eingang Signale, insbesondere für den Strom I, genauer die Ströme I1, I2, I3, die Zwischenkreisspannung Uz, und die Drehzahl n. Die jeweils aktuellen Werte der Signale können beispielsweise von der Erfassungseinrichtung 7 erfasst werden. Genauer gesagt, empfängt die Vorrichtung 38, insbesondere ihre Auswerteeinrichtung 38A, die ermittelten elektrischen Ströme I1, I2, I3, die in den Motorwicklungen 40C des Motors 40A fließen. Zudem empfängt die Vorrichtung 38, insbesondere ihre Auswerteeinrichtung 38A, die ermittelte Zwischenkreisspannung Uz. Zudem empfängt die Vorrichtung 38, insbesondere ihre Auswerteeinrichtung 38A, die ermittelte Drehzahl n des Motors 40A. Die Vorrichtung 38 wertet die Signale I, Uz, n mit ihrer Auswerteeinrichtung 38A und gegebenenfalls mit der Ausgabeeinrichtung 38B aus und entscheidet, ob ein Motorphasenkurzschluss ausgelöst werden muss oder nicht. Muss ein Motorphasenkurzschluss ausgelöst werden, gibt die Vorrichtung 38 ein Signal S_d an die Steuer- und Regeleinheit 37 aus, um die Steuereinheiten 31 bis 36 für den Motorphasenkurzschluss anzusteuern, wie zuvor beschrieben. Bei dem Motorphasenkurzschluss werden die Phasen U1, U2, U3 verbunden und somit kurzgeschlossen. Dies kann über ein Schließen der Schalter 31, 32 und 33 bei gleichzeitigem Öffnen der Schalter 34, 35 und 36 oder aber über ein Schließen der Schalter 34, 35 und 36 bei gleichzeitigem Öffnen der Schalter 31, 32 und 33 in 1 erfolgen. Optional kann die Vorrichtung 38 und/oder die Steuer- und Regeleinheit 37 der Steuervorrichtung 3 mit einem Signal S_r eine Rückmeldung über den Motorphasenkurzschluss und/oder den Zustand des Antriebsregelgeräts 30 und/oder der Leistungsbegrenzung geben.
Zudem kann die Vorrichtung 38 ein Signal S_e an die Steuer- und Regeleinheit 37 ausgeben, um der Steuer- und Regeleinheit 37 eine erforderliche Leistungsbegrenzung des Motors 40A, insbesondere die Unterbindung des Leistungsflusses in den Zwischenkreis 20, mitzuteilen. Über das Signal S_c tauscht die Steuervorrichtung 3 mit der Steuer- und Regeleinheit 37 Informationen aus, wie mindestens eine der folgenden Informationen, nämlich Sollwert, Istwert, Steuerwort, Statuswert, Parameter oder sonstige Informationen.
Die Steuer- und Regeleinheit 37 verwendet mindestens einen Sollwert, wie beispielsweise Kraft/Drehmoment und/oder Geschwindigkeit/Drehzahl und/oder Lage/Winkel, um daraus die Spannungen der Phasen U1, U2, U3 zu ermitteln, um über den Wechselrichter 300 den Motor 40A anzusteuern.
Empfängt die Steuer- und Regeleinheit 37 von der Vorrichtung 38, insbesondere deren Ausgabeeinrichtung 38B zusätzlich das Signal S_d, ignoriert die Steuer- und Regeleinheit 37 den mindestens einen Sollwert, wie beispielsweise Kraft/Drehmoment und/oder Geschwindigkeit/Drehzahl und/oder Lage/Winkel, als Grundlage für die Spannungen der Phasen U1, U2, U3, und aktiviert den Motorphasenkurzschluss. Für die Aktivierung des Motorphasenkurzschlusses steuert die Steuer- und Regeleinheit 37 die Steuereinheiten 31 bis 36, insbesondere die Transistoren von 1, mit Ansteuersignalen S_i1 bis S_i6 derart an, dass entweder die Steuereinheiten 31 bis 33, genauer gesagt deren Schalter, insbesondere Transistoren, oder die Steuereinheiten 34 bis 36, genauer gesagt deren Schalter, insbesondere Transistoren, durchgesteuert sind. Je nach Schalter der Steuereinheiten 31 bis 36 werden die Schalter hierfür eingeschaltet oder ausgeschaltet.
Die Steuer- und Regeleinheit 37 ist derart ausgestaltet, dass eine gleichzeitige Ansteuerung aller Steuereinheiten 31 bis 36 oder der beiden Steuereinheiten einer Halbbrücke (31 und 34 oder 32 und 35 oder 33 und 36), genauer gesagt deren Schalter, insbesondere Transistoren, ausgeschlossen ist. Dadurch kann ein Zwischenkreiskurzschluss verhindert werden.
Die Steuer- und Regeleinheit 37 und/oder die Steuervorrichtung 3 betrachtet die folgenden beiden Hauptbetriebsfälle 1. und 2. des Antriebssystems 5 in denen eine Überspannung im Zwischenkreis 20 auftreten kann, die von der Energie aus den Induktivitäten L des Motors 40A verursacht wird.

1. Deaktivierung der Freigabe eines Betriebs des Motors 40A und/oder Deaktivierung der Freigabe des Antriebsregelgeräts 30, wobei dieser erste Hauptbetriebsfall die folgenden untergeordneten Betriebsfälle umfasst:
1. a) Geplanter Übergang in einen vordefinierten Zustand (Default): In diesem Fall bewirkt die Steuer- und Regeleinheit 37 nach Vorgabe der Steuervorrichtung 3, dass der Motor 40A vor der Deaktivierung der Freigabe zum Stillstand gebracht und in einen stromlosen Zustand überführt wird.
2. b) Ungeplante Stillsetzung: Spontane Deaktivierung der Freigabe des Betriebs des Motors 40A. In diesem Fall sorgt die Vorrichtung 38 für einen Schutz des Geräts 30 ohne dauerhaften Motorphasenkurzschluss.
2. Fehlerreaktion nach Antriebsfehler, wobei dieser zweite Hauptbetriebsfall die folgenden untergeordneten Betriebsfälle umfasst:
1. a) Nichtfataler Fehler: In diesem Fall bewirkt die Steuer- und Regeleinheit 37, gegebenenfalls in Zusammenwirken mit der Steuervorrichtung 3, dass der Motor 40A gezielt bis zum Stillstand abgebremst wird und in einen stromlosen Zustand überführt wird. Die Bremsrampe richtet sich nach dem Speicherzustand oder Speichervermögen des Zwischenkreises 20.
2. b) Fataler Fehler: Gleichzusetzen mit spontaner Deaktivierung der Freigabe des Motors 40A und/oder Deaktivierung der Freigabe des Antriebsregelgeräts 30, gemäß dem vorgenannten Fall 1.b). In diesem Fall sorgt die Vorrichtung 38 für Geräteschutz ohne dauerhaften Motorphasenkurzschluss.

Weiterhin sind insbesondere zwei Sonderfälle zu nennen, in denen die Vorrichtung 38 das Gerät 30 außerdem vor Überspannung im Zwischenkreis 20 schützt:

a) Die Last 9 beschleunigt den Motor 40A bei deaktivierter Freigabe des Motors 40A und/oder bei deaktivierter Freigabe des Antriebsregelgerätes 30 auf eine Drehzahl n die zu einer Überspannung im Zwischenkreis 20 führt (Umk > Uz). In diesem Fall schützt die Vorrichtung 38 das Gerät 30 durch Einleiten eines Motorphasenkurzschlusses.
b) Bei aktivierter Freigabe des Motors 40A und/oder bei aktivierter Freigabe des Antriebsregelgeräts 30, also bei normalem Betrieb des Antriebssystems 5, übersteigt die Zwischenkreisspannung Uz den maximal zulässigen Wert U_B2. In diesem Fall löst die Vorrichtung 38 in der Steuer- und Regeleinheit 37 einen fatalen Fehler entsprechend dem oben genannten Hauptbetriebsfall 2.b) aus, wodurch eine Überführung in eine Fehlerreaktion der Steuer- und Regeleinheit 37 erfolgt.

Die Vorrichtung 38 steuert den Motorphasenkurzschluss zum Geräteschutz mit dem Signal S_d an die Steuer- und Regeleinheit 37 in den folgenden Fällen A) und B) entsprechend der obigen Hauptbetriebsfälle 1. b) und 2. b) an.

A) Die Motor-EMK-Spannung Umk ist größer als die Zwischenkreisspannung Uz. Ein derartiger Fall liegt beispielsweise im Feldschwächbereich vor, insbesondere wenn die Endstufe 300, aufgrund einer Deaktivierung der Freigabe des Motors 40A oder bei Antriebsfehler abgeschaltet wird.
B) Die Zwischenkreisspannung Uz übersteigt die Grenzschwelle U_B2 der maximalen Zwischenkreisspannungshöhe, wie in dem Bereich K2 in 2 gezeigt. Hierbei gibt es die folgenden Fälle B1) bis B2)

Der Fall B1) tritt beispielsweise bei hohen Drehzahlen n auf, die insbesondere im Feldschwächbereich vorkommen und bei welchen die Motor-EMK-Spannung Umk höher als die Zwischenkreisspannung Uz ist. Hierdurch treibt die induzierte Spannung des Motors 40A bei dem Beispiel von 1 über die Dioden der Steuereinheiten 31 bis 36 trotz abgeschalteter Transistoren der Steuereinheiten 31 bis 36 einen elektrischen Strom in den Zwischenkreis 20. Dadurch steigt die Zwischenkreisspannung Uz an, auch wenn die Transistoren der Steuereinheiten 31 bis 36 gesperrt sind. Dies kann nur durch einen Motorphasenkurzschluss verhindert werden.
Der Fall B2) tritt beispielsweise aufgrund einer Energiequelle auf, die von den Induktivitäten L der Wicklungen 40C des Motors 40A gebildet wird. Die Induktivitäten L der Wicklungen 40C des Motors 40A entladen sich insbesondere bei der Deaktivierung der Endstufe 300, im Zwischenkreis 20. Fließt zum Zeitpunkt der Sperrung der Schalter der Endstufe 300 ein elektrischer Strom I, genauer I1, I2, I3, im Motor 40A, so ist in den Induktivitäten L der Motorwicklungen 40C Energie E gespeichert, die in den Zwischenkreis 20 überführt wird. Bei Systemen 5 mit ausreichend hoher Zwischenkreiskapazität C (Normalfall) führt dieser Energierückfluss zu einer vernachlässigbaren Erhöhung der Zwischenkreisspannung Uz. Ist das Antriebssystem 5 allerdings mit einer sehr kleinen Zwischenkreiskapazität C ausgestattet, beispielsweise im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen, so kann ein deutlicher Anstieg der Zwischenkreisspannung Uz entstehen, der die Grenzschwelle U_B2 überschreitet. Der Fall B2) tritt im Bereich industrieller Antriebe nicht auf, bei denen in der Regel eine Speichereinheit 21 im Zwischenkreis 20 mit hoher oder ausreichend großer Speicherkapazität C verwendet wird.
Die Vorrichtung 38 bewirkt einen Geräteschutz des mindestens einen Antriebsregelgeräts 30, 301 bis 30M ergänzt mit einer Leistungsbegrenzung. Hierbei steuert die Vorrichtung 38 die Steuer- und Regeleinheit 37 derart an, dass die Steuer- und Regeleinheit 37 bei Deaktivierung der Freigabe des Motors 40A und/oder des Antriebsregelgeräts 30 oder im Fehlerfall abhängig vom Ausgangszustand des Systems 5 eine Leistungsbegrenzung durchführt. Damit kann die Vorrichtung 38 den Energierückfluss in den Zwischenkreis 20 verringern oder stoppen. Die Leistungsbegrenzung kann auch dann eingesetzt werden, wenn nach einer Überspannung gemäß dem Bereich K2 von 2 im Zwischenkreis 20 über die weiteren Komponenten am Zwischenkreis (Versorgung 10, motorisch betriebene Antriebseinrichtungen 40, 401 bis 40M) in Verbindung mit einem Unterbinden der Energieeinspeisung über einen Motorphasenkurzschluss eine Absenkung der Zwischenkreisspannung Uz unterhalb der Grenzschwelle U_B2 erreicht wurde und Stromfluss im Motor 40A der mindestens einen Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M vorhanden ist. Hierbei steuert die Vorrichtung 38 mit Hilfe der Steuer- und Regeleinheit 37 nach einer Deaktivierung des Motorphasenkurzschlusses die Steuereinheiten 31 bis 36 entsprechend des Stroms I, der aktuell in dem Motor 40A aufgrund des Motorphasenkurzschlusses fließt, derart an, dass der Energierückfluss in den Zwischenkreis 20 unterhalb eines definierten Grenzwertes liegt oder in der Regel vollständig unterbunden wird, wie zuvor genauer beschrieben.
Wie nachfolgend genauer beschrieben, berücksichtigt die Vorrichtung 38, dass bei Systemen 5 in mobilen Anwendungen ein kleiner Energierückfluss in den Zwischenkreis 20 zulässig ist, der nicht zu einer Erhöhung der Zwischenkreisspannung Uz führt, sondern über die am Zwischenkreis 20 eingesetzten Komponenten abgebaut wird. Die Erhöhung der Zwischenkreisspannung Uz ist aufgrund des Betriebs der Vorrichtung 38 in Verbindung mit der Steuer- und Regeleinheit 37 insbesondere nicht größer als eine vorbestimmte zulässige Erhöhung in Bezug auf die Größe der Speichereinheit 21. Hierdurch wirkt die Vorrichtung 38 im Rahmen einer Vorstufe zuerst darauf hin, den Anstieg der Zwischenkreisspannung Uz zu bremsen ohne den Leistungsfluss (= Energie E pro Zeit t) komplett zu unterbinden.
Die Energie E pro Zeit t (= Leistung), die zurück in den Zwischenkreis Uz fließt, wenn die Endstufe 300 gesperrt wird, setzt sich zusammen aus der Energie, die in den Wicklungsinduktivitäten L des mindestens einen Motors 40A gespeichert ist, und bei drehendem Motor 40A außerdem aus der rotatorischen Energie, die durch den abklingenden Stromfluss in dem Motor 40A gebremst wird. Die Verlustleistung im Motor 40A und der Endstufe 300 reduziert diese Energie E.
Die rückfließende Energie ΔE sorgt für eine Erhöhung der Zwischenkreisspannung Uz die über die oben angegebene Gleichung (1) berechnet werden kann. Die in den Wicklungsinduktivitäten L des Motors 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) gespeicherte Energie E kann mit der Gleichung $E = \frac{1}{2} L \cdot I_{S t a r t}^{2}$
berechnet werden. Hierbei ist I_Start der elektrische Strom, der zu der Zeit der Sperrung der Endstufe 300 in den Induktivitäten L der Wicklungen 40C des Motors 40A fließt.
Die Ermittlung der rotatorischen Energie, die zusätzlich in den Zwischenkreis 20 fließt, kann über die Energiegleichung nicht berechnet werden, da die voraussichtliche Enddrehzahl n_Ende des Motors 40A und/oder der mindestens einen Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M nicht bekannt ist. Die Berechnung der rückfließenden Energie kann jedoch durch Lösung der folgenden Differentialgleichungen 1.3 bis 1.5 und mit der Gleichung 1.6 erfolgen. $C \frac{d u_{z w k} (t)}{d t} = i (t)$
$L \frac{d i (t)}{d t} = u_{z w k} (t) - u_{e m k} (t) - R \cdot i (t)$
$2 π \cdot J \frac{d n (t)}{d t} = M_{L} (t) + k_{m} \cdot i (t)$
$u_{e m k} (t) = k_{e m k} \cdot n (t)$
in denen M_L das Lastmoment des Motors 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) ist, R der Widerstand der Wicklung 40C ist, k_m die Drehmomentkonstante des Motors 40A ist, uemk die Spannung Umk des Motors 40A ist, k_emk die EMK-Konstante des Motors 40A ist, J das Trägheitsmoment des Motors 40A inklusive der Last 9 ist, i(t) der Strom des Motors 40A über der Zeit t ist. Die Kapazität C ist dabei die bereits benannte Speicherkapazität des Zwischenkreises 20. Weiterhin ist die Drehzahl n die Drehzahl des Rotors von Motor 40A.
Dabei ergibt sich die Zwischenkreisspannung Uz oder Uzwk gemäß der folgenden Gleichung 1.7 als $u_{z w k} = \frac{1}{C} \frac{1}{s_{1} - s_{2}} ((\frac{1}{L} u_{z w k,0} - \frac{k_{e m k}}{L} \cdot n_{0} + i_{0} \cdot s_{1}) \cdot \frac{1}{s_{1}} [e^{s_{1} t x} - 1] - (\frac{1}{L} u_{z w k,0} - \frac{k_{e m k}}{L} \cdot n_{0} + i_{0} \cdot s_{2}) \cdot \frac{1}{s_{2}} [e^{s_{2} t x} - 1]) + u_{z w k,0}$
mit den folgenden Gleichung 1.8 bis 1.10 $\begin{array}{l} a = (\frac{k_{e m k}}{L} \cdot \frac{60}{2 π \cdot J} k_{m} - \frac{1}{L C}) \\ s_{1,2} = - \frac{R}{2 L} + \sqrt{{(\frac{R}{2 L})}^{2} - a} \\ t x = \frac{ln (\frac{\frac{1}{L} u_{z w k,0} - \frac{k_{e m k}}{L} \cdot n_{0} + i_{0} \cdot s_{2}}{\frac{1}{L} u_{z w k,0} - \frac{k_{e m k}}{L} \cdot n_{0} + i_{0} \cdot s_{1}})}{s_{1} - s_{2}} \end{array}$
mit: $\begin{array}{l} \frac{1}{L} u_{z w k,0} - \frac{k_{e m k}}{L} \cdot n_{0} + i_{0} \cdot s_{1} > 0 \\ s_{1} \neq s_{2} \\ s_{1}, s_{2} < 0 \end{array}$
in denen s₁ ein erster Zwischenwert ist, s₂ ein zweiter Zwischenwert ist, s_1,2 die beiden vorherigen Zwischenwerte zusammenfasst, a ein dritter Zwischenwert ist. Der Index 0 einer Variablen in den zuvor genannten Gleichungen symbolisiert, dass es sich hierbei um den Wert der Variablen zum Startzeitpunkt handelt. Die Zeit tx gibt den Zeitpunkt (nach dem Start der Betrachtung des dynamischen Verlaufs) an, an dem der Strom i, der zuvor auch Strom I genannt ist, auf null abgeklungen ist und damit keine Energie aus den Induktivitäten L der Wicklung 40C zurück in den Zwischenkreis 20 fließt.
Bei der Herleitung der als Beispiel genannten Gleichung 1.7 wurde davon ausgegangen, dass der Einfluss des Lastmomentes M_L in dem kurzen Zeitraum vernachlässigbar ist, in welchem die Überspannung in dem Zwischenkreis 20 geschätzt werden soll. Sollte dies nicht der Fall sein, so greift weiterhin die Zwischenkreisüberspannungsschwelle U_B2 und leitet in den Motorphasenkurzschluss über, wie nachfolgend beschrieben.
4 veranschaulicht das von der Vorrichtung 38 durchgeführte Verfahren. Hierfür verwendet die Vorrichtung 38 beispielsweise ihre Auswerteeinrichtung 38A und ihre Ausgabeeinrichtung 38B. Die Vorrichtung 38 führt das Verfahren gemäß 4 auch aus, wenn für den Motor 40A bzw. die mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M keine Freigabe vorhanden ist und dementsprechend der Motor 40A nicht eingeschaltet ist. Die Vorrichtung 38 führt das Verfahren von 4 zyklisch aus. Dadurch kann in jedem Zyklus eine adaptierte Reaktion auf eine etwaige Überspannung der Spannung Uz im Zwischenkreis 20 erfolgen. Das Verfahren wird beendet, wenn die Vorrichtung 38 und/oder das Antriebssystem 5 ausgeschaltet wird oder die Energieversorgung über den Zwischenkreis 20 nicht aktiv ist.
Das Verfahren hat den Fokus auf den Betriebsfällen der Deaktivierung der Freigabe des Motors 40A und/oder des Antriebsregelgeräts 30 oder den Übergang des Steuer- und Regeleinheit 37 in den Fehlerzustand. Übersteigt die Zwischenkreisspannung Uz, beispielsweise durch Entladung der Motorinduktivitäten L des Motors 40A oder durch generatorischen Betrieb des Motors 40A oder aufgrund hoher induzierter Spannung Umk, die in den Wicklungen 40C des Motors 40A oder Generators durch Drehung induziert wird (Motor-EMK) eine der Schwellen von 2, so wirkt die Vorrichtung 38 daraufhin, den Motorphasenkurzschluss einzuleiten oder durch entsprechende Maßnahmen wieder zu beenden, wie nachfolgend beschrieben. Die Spannung Umk und/oder die Spannungen U1, U2, U3 an dem Motor 40A können/kann aus den Motordaten im Betrieb ermittelt oder geschätzt werden und/oder von der Erfassungseinrichtung 7 erfasst werden. Zudem kann die Drehzahl n mit einer Erfassungseinrichtung 7 erfasst werden. Die EMK-Konstante k_emk, beispielsweise die Rotorflussverkettung, die insbesondere eine Permanentmagnetflussverkettung ist, von Gleichung 1.6 wird durch den Motorhersteller bereitgestellt.
Nach dem Beginn des Verfahrens prüft die Vorrichtung 38, insbesondere mittels Auswertung der Auswerteeinrichtung 38A, bei einem Schritt S1, ob die Zwischenkreisspannung Uz die Grenzschwelle U_B2 überschreitet, also größer als der maximal zulässige Wert der Zwischenkreisspannung Uz ist. Lautet die Antwort Ja (J), also überschreitet die Zwischenkreisspannung Uz die Grenzschwelle U_B2, so geht der Fluss zu einem Schritt S2 weiter. Lautet die Antwort Nein (N), also überschreitet die Zwischenkreisspannung Uz nicht die Grenzschwelle U_B2, so geht der Fluss zu einem Schritt S3 weiter.
Bei dem Schritt S2 gibt die Vorrichtung 38, insbesondere ihre Ausgabeeinrichtung 38B, das Signal S_d an die Steuer- und Regeleinheit 37 aus, um zum Geräteschutz für den Motor 40A den Motorphasenkurzschluss anzusteuern. Hierbei werden die Phasen U1, U2, U3 verbunden und somit kurzgeschlossen. Infolge des Motorphasenkurzschlusses wird der Motor 40A und damit die Bewegung der zugehörigen Last 9 des Systems 5 gebremst. Zudem kann insbesondere ein Zähler 381 gestartet und/oder eine Kennung 382 gesetzt werden, um festzustellen, wann der Motorphasenkurzschluss angesteuert und/oder geschaltet wurde. Beispielsweise inkrementiert die Vorrichtung 38 den Zählerstand 3811 des Zählers 381 je durchlaufenen Zyklus des Verfahrens, bei welchem der Motorphasenkurzschluss geschaltet ist. Wird der Motorphasenkurzschluss aufgehoben, setzt die Vorrichtung 38 den Zählerstand 3811 zurück. Bei Bedarf kann die Vorrichtung 38 oder die Steuer- und Regeleinheit 37 anhand des Zählerstands 3811 des Zählers 381 auswerten, ob die Einheit 37 und damit der Motor 40A des Antriebssystems 5 in einem der nachfolgenden Zyklen des Verfahrens in einen Fehlerzustand zu überführen ist. Jedoch hängt die Überführung in den Fehlerzustand maßgeblich auch von der Höhe der Zwischenkreisspannung Uz ab. Im Fehlerzustand ist ein Weiterbetrieb des Motors 40A auch nach Unterschreiten der Grenzschwelle U_B2 nicht mehr möglich. Nach der Auswertung, welche gegebenenfalls eine Überführung der Einheit 37 in den Fehlerzustand zur Folge hat, wie zuvor beschrieben, ist ein Zyklus des Verfahrens beendet und das Verfahren geht zu dem Schritt S1 zurück.
Bei dem Schritt S3 prüft die Vorrichtung 38, insbesondere mittels Auswertung der Auswerteeinrichtung 38A, ob die Zwischenkreisspannung Uz die Grenzschwelle U_M1 überschreitet. Die Zwischenkreisspannung Uz kann beispielsweise durch Entladung der Motorinduktivitäten L, generatorischen Betrieb oder aufgrund hoher Motor-EMK des mindestens einen Motors 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) die Schwelle U_M1 übersteigen und gegebenenfalls den Motorphasenkurzschluss erforderlich machen. Die Spannung Umk ist die System-EMK oder Motor-EMK, also die Spannung, die das System 5 oder der Motor 40A (die mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) aufgrund der Rotorflussverkettung (magnetisch oder elektrisch erregt) erzeugt bzw. erzeugen würde. Die Rotorflussverkettung ist insbesondere eine Permanentmagnetflussverkettung. Wie in 2 gezeigt, ist die Grenzschwelle U_M1 kleiner als die Grenzschwelle U_B2, also der maximal zulässige Wert der Zwischenkreisspannung Uz. Lautet die Antwort Ja (J), also überschreitet die Zwischenkreisspannung Uz die Grenzschwelle U_M1, so geht der Fluss gemäß 4 zu einem Schritt S4 weiter. Lautet die Antwort Nein (N), also überschreitet die Zwischenkreisspannung Uz nicht die Grenzschwelle U_M1, so geht der Fluss zu einem Schritt S5 weiter.
Bei dem Schritt S4 prüft die Vorrichtung 38, insbesondere mittels Auswertung der Auswerteeinrichtung 38A, ob die Spannung Umk die Zwischenkreisspannung Uz übersteigt. Lautet die Antwort Ja (J), also überschreitet die Zwischenkreisspannung Uz die Spannung Umk, so geht der Fluss zu dem Schritt S2 weiter, so dass der Motorphasenkurzschluss eingeleitet oder aktiviert wird oder weiter bestehen bleibt und optional die Funktion in Bezug auf den Zähler 381 ausgeführt wird, wie zuvor beschrieben. Lautet die Antwort Nein (N), also überschreitet die Zwischenkreisspannung Uz nicht die Spannung Umk, so geht der Fluss zu einem Schritt S8 weiter.
Bei dem Schritt S5 prüft die Vorrichtung 38, insbesondere mittels Auswertung der Auswerteeinrichtung 38A, ob der Motorphasenkurzschluss (Schritt S2) im letzten Zyklus der Durchführung des Verfahrens von 4 aktiv war oder nicht. Hierbei kann der Zähler 381 ausgewertet werden, wie zuvor beschrieben. Lautet die Antwort Ja (J), also war der Motorphasenkurzschluss (Schritt S2) im letzten Zyklus der Durchführung des Verfahrens von 4 aktiv, so geht der Fluss zu einem Schritt S6 weiter. Lautet die Antwort Nein (N), also war der Motorphasenkurzschluss (Schritt S2) im letzten Zyklus der Durchführung des Verfahrens von 4 nicht aktiv, so geht der Fluss zu einem Schritt S9 weiter.
Bei dem Schritt S6 prüft die Vorrichtung 38, insbesondere mittels Auswertung der Auswerteeinrichtung 38A, ob die Zwischenkreisspannung Uz größer als die Schwelle U_M1 abzüglich der Hysteresespannungsschwelle Uh ist. Somit prüft die Vorrichtung 38, ob die Zwischenkreisspannung Uz größer als die Hysteresespannungsschwelle Uh ist. Lautet die Antwort Ja (J), also ist die Zwischenkreisspannung Uz größer als die Schwelle U_M1 abzüglich der Hysteresespannungsschwelle Uh, so geht der Fluss zu dem Schritt S2 weiter, so dass der Motorphasenkurzschluss weiter bestehen bleibt und optional die Funktion in Bezug auf den Zähler 381 ausgeführt wird, wie zuvor beschrieben. Lautet die Antwort Nein (N), also ist die Zwischenkreisspannung Uz nicht größer als die Schwelle U_M1 abzüglich der Hysteresespannungsschwelle Uh, so geht der Fluss zu einem Schritt S7 weiter. Die Vorrichtung 38 deaktiviert den Motorphasenkurzschluss, genauer das Signal S_d für die Steuer- und Regeleinheit 37 somit erst dann, wenn die Zwischenkreisspannung Uz einen vorbestimmten Hysterese-Abstand zu der Schwelle U_M1, insbesondere die Schwelle Uh, unterschritten hat.
Bei dem Schritt S7 initialisiert die Vorrichtung 38 eine Routine zur Regelung und Begrenzung der Zwischenkreisspannung Uz nach dem Motorphasenkurzschluss (Schritt S2). Die Routine berücksichtigt, dass der Motorphasenkurzschluss im letzten Zyklus aktiv war, beispielsweise weil die Zwischenkreisspannung Uz die Schwelle U_M1 überschritten hat. Die Vorrichtung 38 führt eine Strategie der Leistungsbegrenzung aus, wodurch die Motorregelung in der Steuer- und Regeleinheit 37 entsprechend dem aktuellen Stromfluss durch den Motorphasenkurzschluss aufgesetzt wird. Bei der Strategie der Leistungsbegrenzung weist die Vorrichtung 38 die Steuer- und Regeleinheit 37 an, die Werte zu setzen, welche den Rückfluss der Leistung in den Zwischenkreis 20 begrenzen. Danach geht der Fluss zu dem Schritt S8 weiter.
Bei dem Schritt S8 führt die Vorrichtung 38 eine Routine zur Verhinderung eines Leistungsflusses im Zwischenkreis 20 aus. Hierbei wird durch eine Leistungsbegrenzung der Energierückfluss in den Zwischenkreis 20 gestoppt, beispielsweise indem der Strom I in dem Motor 40A (mindestens einer Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) zu Null geregelt wird. Dadurch wird der Anstieg der Zwischenkreisspannung Uz nach dem Einschwingen der Regelung verhindert. Die Vorrichtung 38 setzt das Signal S_d entsprechend, damit die Steuer- und Regeleinheit 37 wieder auf den vorherigen Regelbetrieb übergeht. Durch den Übergang auf die Verhinderung des Leistungsrückflusses kann der Motorphasenkurzschluss verlassen werden. Dadurch wird die Bremswirkung für den Motor 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) aufgehoben. Hierdurch kann der Motor 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) im Falle der Deaktivierung der Freigabe des Betriebs des Motors 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) oder im Fehlerzustand austrudeln (Freilauf).
Bei dem Schritt S9 prüft die Vorrichtung 38, insbesondere mittels Auswertung der Auswerteeinrichtung 38A, ob die Zwischenkreisspannung Uz die Spannungsschwelle U_M0 überschreitet. Lautet die Antwort Ja (J), also überschreitet die Zwischenkreisspannung Uz die Schwelle U_M0, liegt nur eine leichte Erhöhung der Zwischenkreisspannung Uz vor. Daher geht der Fluss gemäß 4 zu einem Schritt S10 weiter. Lautet die Antwort Nein (N), also überschreitet die Zwischenkreisspannung Uz nicht die Schwelle U_M0, so sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich, so dass ein Zyklus des Verfahrens beendet ist und das Verfahren zu dem Schritt S1 zurückgeht.
Bei dem Schritt S10 führt die Vorrichtung 38 eine Routine zur Begrenzung eines Leistungsflusses im Zwischenkreis 20 aus. Hierbei wird durch eine Leistungsbegrenzung der Energierückfluss in den Zwischenkreis 20 gestoppt, beispielsweise indem der Strom I in dem Motor 40A (mindestens einer Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) geregelt wird, wie folgt. Beispielsweise wird der Strom I in dem Motor 40A derart geregelt, dass gilt -10A < I < 400A. Hierbei bedeutet ein negativer Strom I einen Stromfluss in den Zwischenkreis 20, wodurch die Energie im Zwischenkreis 20 steigt. Die Energie, die der Strom I = - 10A in den Zwischenkreis 20 überführt, kann beispielsweise durch vorhandene Komponenten im Zwischenkreis 20 abgeführt werden. Dadurch steigt die Zwischenkreisspannung Uz gar nicht oder nur langsam an. Ein positiver Strom entzieht in diesem Beispiel Energie aus dem Zwischenkreis 20, wodurch der maximale Strom von beispielsweise 400A zugelassen werden kann. Durch die beschriebene Leistungsbegrenzung wird der Anstieg der Zwischenkreisspannung Uz verhindert. Als Folge davon sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich. Danach ist ein Zyklus des Verfahrens beendet und das Verfahren geht zu dem Schritt S1 zurück.
Fand keine Deaktivierung der Freigabe des Motors 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) statt oder liegt kein Fehlerzustand vor, liegt Normalbetrieb vor. Im Normalbetrieb wird der Ablauf entsprechend 4 ebenfalls durchlaufen. Hierbei erfolgt das Energiemanagement durch Vorrichtung 15 derart, dass keine der Spannungsgrenzen U_B2, U_M0 oder U_M1 überschritten wird. Sollte eine der der Spannungsgrenzen U_B2, U_M0 oder U_M1 doch überschritten sein, kann die Vorrichtung 38 nach der Überspannung U_M0 im Zwischenkreis 20 auf den Leistungsbegrenzungsfall gemäß einem Schritt S9 übergehen. Bei Überschreitung von U_B2 wird entsprechend der Motorphasenkurzschluss ausgelöst und ein Antriebsfehler abgesetzt, insbesondere für Bedienpersonal signalisiert. Im Normalbetrieb ohne Überspannung durchläuft die Vorrichtung 38 pro Zyklus die Schritte S1, S3, S5, S9. Insbesondere benötigt ein derartiger Zyklus eine Zeit im µs-Bereich und wird beispielsweise alle etwa 125 µs wiederholt. Nach Schritt S9 ist ein Zyklus des von der Vorrichtung 38 durchgeführten Verfahrens beendet und das Verfahren geht zu dem Schritt S1 zurück.
Die Erfassung der Motor-EMK oder auch Motorspannung Umk ist nicht nur als Schätzung über die Motordaten, wie beispielsweise EMK-Konstante k_emk, Drehzahl n, möglich. Alternativ kann die Motor-EMK oder auch Motorspannung Umk über eine Erfassung der Motorklemmenspannung, insbesondere mit Hilfe der Erfassungseinrichtung 7, ermittelt werden. Im Betrieb setzt sich die Motorklemmenspannung zusammen aus EMK-Spannung Umk, Spannungsfall an dem Wicklungswiderstand R und den Wicklungsinduktivitäten L der Wicklungen 40C. Hierdurch können eine Erhöhung der Genauigkeit und Vorteile bei der Zuschaltung der Freigabe bei sich drehendem Motor 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) erreicht werden.
Optional ist die Vorrichtung 38 zudem ausgestaltet, eine Überwachung der Zwischenkreisspannung Uz zumindest nach Empfang einer Benachrichtigung von der Vorrichtung 15 durchzuführen, dass von der Steuervorrichtung 3 ein Energiemanagement durchzuführen ist.
Hierbei ist die Vorrichtung 38 zudem derart ausgestaltet, dass sie ein Verschieben der Spannungsspitzen von 2 weiter nach unten bis zu einer vorbestimmten Spannungsschwelle als vorbestimmten Schwellwert toleriert, nämlich bis zu dem unteren Spannungsgrenzwert (Schwelle) U_B1. Hierfür führt die Vorrichtung 38 einen Vergleich der jeweils erfassten Zwischenkreisspannung Uz mit der vorbestimmten Spannungsschwelle durch, also hier mit dem unteren Spannungsgrenzwert (Schwelle) U_B1. Ist die jeweils erfasste Zwischenkreisspannung Uz, also die Ist-Zwischenkreisspannung Uz, noch größer als die untere Spannungsschwelle U_B1, bewertet die Vorrichtung 38 die Ist-Zwischenkreisspannung Uz als OK, so dass keine weitere Maßnahme erforderlich ist. Die Vorrichtung 38 toleriert somit eine gewisse Abweichung der Ist-Zwischenkreisspannung Uz von dem Nennspannungswert U_N, nämlich bis zu dem unteren Spannungsgrenzwert (Schwelle) U_B1.
Der untere Spannungsgrenzwert (Schwelle) U_B1 wird danach bestimmt, bis zu welchem Einbruch der Zwischenkreisspannung Uz noch die erforderlichen Arbeitspunkte mit hoher Drehzahl bei gleichzeitig hohem Drehmoment gefahren werden können, die beispielsweise während einer Beschleunigungsphase des Antriebssystems 5 bzw. mindestens einer der Antriebseinrichtungen 40, 401 bis 40M auftreten.
Der untere Spannungsgrenzwert (Schwelle) U_B1 wird anhand einer von der Zwischenkreisspannung Uz abhängigen Motorkennlinie bestimmt.
Im Betrieb des Antriebssystems 5 führt die derart eingestellte Vorrichtung 38 eine kontinuierliche Überwachung der einbrechenden Zwischenkreisspannung Uz aus. Erreichen die Spannungsspitzen der Zwischenkreisspannung Uz einen vorbestimmten Schwellwert, beispielsweise den unteren Spannungsgrenzwert U_B1 von 2, sendet die Vorrichtung 38 einen Hinweis 51 oder eine Warnung an den Betreiber des Antriebssystems 5. Der Hinweis 51 oder die Warnung an den Betreiber des Antriebssystems 5 umfasst, dass bald ein kritischer Zustand erreicht wird und es wird empfohlen, die mindestens eine Energiespeichereinheit 21 zu prüfen und gegebenenfalls auszutauschen. Der Hinweis 51 oder die Warnung an den Betreiber des Antriebssystems 5 kann an die Bedienvorrichtung 50 gesendet werden. Somit können die entsprechenden Maßnahmen für einen Serviceeinsatz an dem Antriebssystem 5 mit ausreichender Planungs- und Vorbereitungszeit für den Serviceeinsatz, insbesondere Ersatzteilbestellung, Lieferzeit, etc., ergriffen werden, ohne bereits Leistungseinbußen, wie Reduzierung der Beschleunigung, hinnehmen zu müssen. Damit werden Taktzeitverluste aufgrund des Antriebssystems 5 vermieden.
5 veranschaulicht ein Beispiel für eine Ausführung eines Gerätezustandsautomats eines Antriebs und/oder Antriebsregelgeräts 30, der vorzugsweise in der Steuer- und Regeleinheit 37 umgesetzt ist. Gemäß 5 wird aufgrund des Eintretens von Ereignissen E1 bis E8 jeweils ein vorbestimmter Zustand Z1 bis Z6 in dem Antriebssystem 5 von 1 erreicht. Genauer gesagt, wird nach dem Einschalten der Steuerspannung (Ereignis E1) der Zustand Z1 erreicht, in welchem das Antriebssystem 5 bereit für eine Versorgung des mindestens einen Motors 40A mit elektrischer Energie E ist. Tritt auch das Ereignis E2 ein, nämlich wird auch der Versorger 10 eingeschaltet oder zugeschaltet, wird der Zustand Z2 erreicht. In dem Zustand Z2 sind die mindestens eine Antriebseinrichtung 40 und/oder das Antriebsregelgerät 30 bereit für eine Freigabe. Mit anderen Worten, die mindestens eine Antriebseinrichtung 40 und damit der Motor 40A kann auf Wunsch betrieben werden. Nach erteilter Freigabe (Ereignis E3) und Übergang in den Zustand Z3, nämlich Antrieb freigegeben, sind die bereits zuvor genannten zwei Übergänge / Ereignisse

- Deaktivierung Freigabe des Motors 40A / Antriebs und/oder Deaktivierung der Freigabe des Antriebsregelgeräts 30 (Ereignis E4), oder
- Fehler im Antrieb (Ereignis E6)

In beiden Pfaden nach dem Zustand Z3 von 3 muss der Antrieb stillgesetzt werden (Zustände Z4, Z5), wenn dies nicht bereits entsprechend dem zuvor beschriebenen Hauptbetriebsfall 1a) erfolgt ist. Die Stillsetzung kann beispielsweise über eine Freischaltung des Drehmoments des mindestens eine Motors 40A erfolgen. Hierdurch werden quasi ebenfalls die Halbleiterschalter 31 bis 36 von 1 geöffnet und ein Austrudeln des mindestens einen Motors 40A wird ermöglicht (= Deaktivierung Endstufe 300).
Über das Verfahren in 4 wird die Verhinderung einer Überspannung im Zwischenkreis 20 und damit der Geräteschutz sichergestellt, beispielsweise durch Übergang in den Motorphasenkurzschluss, wie zuvor in Bezug auf 4, insbesondere Schritt S2 beschrieben.
6 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel , das von der Vorrichtung 38 in Zusammenspiel mit der Steuer- und Regeleinheit 37 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird. Nachfolgend werden nur die Unterschiede zu dem Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, das in 4 gezeigt ist.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel prüft die Vorrichtung bei einem Schritt S51, ob die Stillsetzung des Antriebs aktiv ist, gemäß 5 also der Zustand Z4 vorliegt. Lautet die Antwort JA, schätzt die Vorrichtung 38, falls die Bedingung von Schritt S4 nicht erfüllt ist, bei einem Schritt S41 die in den Zwischenkreis 20 zurückfließende Energie E im Zustand Z4, nämlich Stillsetzung Antrieb im Falle der Deaktivierung der Endstufe 300, ab. Anschließend prüft die Vorrichtung 38 bei einem Schritt S42 , ob eine Überspannung im Zwischenkreis 20 droht, und ob eine dauerhafte Aktivierung des Motorphasenkurzschlusses (Schritt S2) wegen geladener Motorinduktivitäten L erforderlich ist. Aufgrund dessen muss im Falle eines geringeren Spannungshubs, wenn als Ergebnis der Prüfung bei Schritt S42 die Zwischenkreisspannung Uz die Grenze U_B2 und/oder U_M1 nicht erreichen wird, im Abschaltzeitpunkt des Antriebssystems 5 nicht direkt in den Motorphasenkurzschluss (Schritt S2) übergegangen werden.
Daher leitet die Vorrichtung 38 mindestens eine Maßnahme ein (beispielsweise Motorphasenkurzschluss bei Schritt S2), wenn bei dem Schritt S4 die Spannung Umk die Zwischenkreisspannung Uz im Zustand Z4, nämlich Stillsetzung Antrieb in 5 durch Deaktivierung der Endstufe 300, überschreitet, oder allgemein im Abschaltzeitpunkt ein Strom I in dem Motor 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) fließt, der ein Anheben der Zwischenkreisspannung Uz über die Zwischenkreisspannungsgrenze U_B2 und oder U_M1 zur Folge hätte.
Ist eine Überspannung im Zwischenkreis 20 nicht zu erwarten, stellt eine zusätzliche Maßnahme sicher, dass dem Motor 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) die Möglichkeit gegeben wird, sich freizulaufen. Hierdurch wird die Energie in den Wicklungen 40C des Motors 40A (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) abgebaut. Außerdem wird, solange der Fluss des Stroms I anhält, auch rotatorische Energie abgebaut, die über die Dioden der Einheiten 31 bis 36 in den Zwischenkreis 20 gelangt und einen Anstieg der Zwischenkreisspannung Uz bewirkt.
Bei dem Schritt S41 von 6 berechnet die Vorrichtung 38 die zu erwartende Energie, welche die elektrische Energie aus den Wicklungsinduktivitäten L des Motors 40A und der Anteil der rotatorischen Energie ist, bis der Stromfluss im Motor 40A auf Null abgeklungen ist. In der Steuer- und Regeleinheit 37 kommt das Berechnungsergebnis von Schritt S41 im Zustand Stillsetzung des Gerätezustandsautomats, vorzugsweise umgesetzt in der Vorrichtung 38 durch den Ablauf in 6, also bei Deaktivierung der Freigabe oder bei der Fehlerreaktion, wie folgt zum Tragen:

Überschreitet die Spannung Umk die Zwischenkreisspannung Uz bei Schritt S4 von 6 bei aktiver Stillsetzung gemäß Prüfung im Schritt S51 („Stillsetzung aktiv?“), veranlasst durch Zustand Z4 „Stillsetzung Antrieb“ in 5) wird als Stillsetzungsverfahren vom Freilauf (= Austrudeln = Deaktivierung Endstufe 300) direkt in den Motorphasenkurzschluss (Schritt S2) gewechselt, der vorteilhafterweise bis zum Stillstand des Motors 40A durchgeführt wird oder aber mindestens bis zum Unterschreiten der Zwischenkreisspannung Uz, die ihrerseits wiederum einen Maximalwert nicht überschreiten darf. Ist die Spannung Umk kleiner als die Zwischenkreisspannung Uz (Prüfung von Schritt S4) und der geschätzte Energierückfluss gemäß SchrittS41 wird Überspannung verursachen (Ja, in Schritt S42), dann wird ebenfalls ein Motorphasenkurzschluss (Schritt S2) bis zum Stillstand durchgeführt. Alternativ wird der Motorphasenkurzschluss von Schritt S2 abgebrochen, wenn eine neue Schätzung bei Schritt S41 in einem neuen Zyklus des Verfahrens von 6 ergibt, dass bei Deaktivierung der Endstufe 300 die Zwischenkreisspannung 20 nicht U_B2 und oder U_M1 überschreiten wird.

Ist allerdings die Spannung Umk gemäß der Prüfung bei Schritt S4 kleiner als die Zwischenkreisspannung Uz und der geschätzte Energierückfluss wird keine Überspannung verursachen (Nein, in Schritt S42), dann wird die Endstufe 300 deaktiviert, indem die Halbleiterschalter 31 bis 36 geöffnet werden. Dadurch entsteht eine Momentenfreischaltung für den Motor 40A (= Austrudeln).
Im Stillsetzungsvorgang ist es denkbar, dass die Schätzung entsprechend 6 zyklisch wiederholt wird und eine Umschaltung zwischen Motorphasenkurzschluss und Momentenfreischaltung und umgekehrt erfolgt. Alternativ kann die Schätzung nur einmalig beim Zustandsübergang in den Zustand Z4 „Stillsetzung Antrieb“ in 5 durchgeführt und ein entsprechende Stillsetzungsart (Motorphasenkurzschluss, Deaktiverung der Endstufe 300, ...) gewählt werden. Damit folgt am Beispiel entsprechend 6 auch, dass, wenn zum Startzeitpunkt die Spannung Umk größer als die Zwischenkreisspannung Uz war nach zuerst erfolgtem Motorphasenkurzschluss (Schritte S51 und S4), ein Übergang zur Momentenfreischaltung (= Deaktivierung Endstufe 300) möglich wird. Dies ist möglich, wenn der Strom I im Motor 40A soweit abgeklungen ist, dass ein Öffnen aller Steuereinheiten 31 bis 36, insbesondere Halbleiterschalter, der Endstufe 300 nicht zu einer Überspannung im Zwischenkreis 20 führen wird.
Der in 4 dargestellte Ablauf kann in der Vorrichtung 38 hierbei weiterhin aktiv bleiben, um bei dennoch auftretenden Überspannungen im Zwischenkreis 20 einen Geräteschutz, insbesondere des Geräts 30, zu ermöglichen. Allerdings ist es zweckmäßig und/oder sinnvoll, den Ablauf beispielsweise derart zu vereinfachen, dass nur noch die Bedingungen

- Uz > U_B2 (Schritt S1)
- Umk > Uz (Schritt S4)

Bei dem Verfahren gemäß 6 sind neben den genannten Bedingungen in den Schritten „U_Z>U_B2?“ (Schritt S1) und „Umk>Uz“ (Schritt S4) durch die Schritte „U_Z>U_M1?“ (Schritt S3) und „Uzwk>U_M0?“ (Schritt S8) weiterhin die Schwellen der Schritte S3 und S9 in 4 beibehalten, die zu einer Leistungsbegrenzung im Schritt S10 („Begrenzung Leistungsfluss in Zwischenkreis“) als erste Eskalierungsstufe und zu einer Leistungsverhinderung im Schritt S8 („Verhinderung Leistungsfluss in Zwischenkreis“) in 6 als zweite Eskalierungsstufe dienen.
Abhängig vom Ablauf des Verfahrens von 5 und/oder 6 und deren Zusammenspiel sind weitere Varianten denkbar.
Überschreitet die Zwischenkreisspannung Uz die obere Schwelle U_S2 (Schritt S1 „Uz>U_B2?“ von 6), leitet die Vorrichtung 38 generell den Motorphasenkurzschluss ein, wie zuvor in Bezug auf Schritt S2 von 4 beschrieben. Dementsprechend wird ebenfalls ein fataler Fehler im Antrieb aktiviert. Dadurch wird der Gerätezustandsautomat in den Zustand „Fehler“ S20 in 6 überführt.
Somit schätzt die Vorrichtung 38, beispielsweise ihre Auswerteeinrichtung 38A, hierfür den Energiefluss aus dem elektrischen Antriebssystem 5 und/oder den Antriebseinrichtungen 40, 401, 402 und 40M in den Zwischenkreis 20 ab, der beim Öffnen der Halbleiterschalter (= Momentenfreischaltung = austrudeln) entstehen würde. Je nach Schätzergebnis aktiviert die Vorrichtung 38 bereits bei kleineren Zwischenkreispannungen Uz als die Maximal- bzw. Grenzspannung entsprechend den Schwellen U_B2 und U_B1 im Zwischenkreis 20 den Motorphasenkurzschluss des elektrischen Antriebssystems 5. Dies gilt insbesondere, wenn das Schätzergebnis ergibt, dass absehbar ist, dass der Energierückfluss in den Zwischenkreis 20 beim Öffnen der Halbleiterschalter 31 bis 36 (=Momentenfreischaltung = Austruden) in jedem Fall zu einer Verletzung der maximalen Grenzspannungsschwelle U_B2 für die Spannung Uz im Zwischenkreis 20 führen wird.
Die Vorrichtung 38 ist somit ausgestaltet, einen aktiven Motorphasenkurzschluss erst dann zu deaktivieren, wenn der zu erwartende Energierückfluss aus den Motorwicklungsinduktivitäten L die Zwischenkreisspannung Uz nicht über die Schwelle(n) U_B2 und/oder U_M1 steigen lässt.
Auf diese Weise kann vermieden werden, dass beim Überschreiten der Schwelle(n) U_B2 und/oder U_M1 die Energie immer durch einen Motorphasenkurzschluss mindestens bis zum Abklingen des Stromes auf Null abgebaut werden muss, wobei ein Motorphasenkurzschluss bis zum Stillstand des mindestens einen Motors 40A der mindestens einen Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M die Folge ist, auch wenn dies anwendungsabhängig nicht immer sinnvoll ist, wie zuvor beschrieben.
Somit kann die Vorrichtung 37 in Zusammenspiel mit der Vorrichtung 38 auch gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Austrudeln (Freilauf) des mindestens einen Motors (mindestens eine Antriebseinrichtung 40, 401 bis 40M) erreichen, wenn dies im jeweiligen Anwendungsfall gewünscht ist.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Anlage 1, des Antriebssystems 5, der Vorrichtung 38 und/oder der Steuer- und Regeleinheit 37 und des Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
Die industrielle Anlage 1 hat gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ mindestens eine NC-Steuerung (Numerical Control = Numerische Steuerung) und/oder mindestens eine CNC-Steuerung (Computerized Numerical Control = rechnergestützte numerische Steuerung).
Die technische Anlage 1 kann eine Bewegungslogiksteuerung für beispielsweise Transportsysteme und/oder zur Führung von Werkzeugen, usw. sein oder aufweisen.
Die industrielle Anlage 1 hat möglicherweise zusätzlich oder alternativ ein Biegewerkzeug und/oder ein Stanzwerkzeug und/oder ein Bohrwerkzeug und/oder ein Toxwerkzeug aufweisen.
Denkbar ist, dass die Vorrichtung 38 und/oder Teile der Steuer- und Regeleinheit 37 extern von dem Antriebsregelgerät 30 und/oder dem Antriebssystem 5 angeordnet ist. Alternativ ist die Vorrichtung 38 und/oder Teile der Steuer- und Regeleinheit 37 in die Bedienvorrichtung 50 oder in die Steuervorrichtung 3 der übergeordneten Anlage 1 integriert.
Gemäß einer speziellen Variante ist mindestens ein zusätzlicher Energiespeicher an den Zwischenkreis 20 angeschlossen. Hierbei ist es denkbar, alle zusätzlichen Energiespeicher direkt an den Zwischenkreis 20 anzuschließen. Gemäß einer anderen speziellen Variante ist es denkbar, mindestens einen zusätzlichen Energiespeicher direkt an den Zwischenkreis 20 anzuschließen und mindestens einen anderen zusätzlichen Energiespeicher über einen Wandler an den Zwischenkreis 20 anzuschließen.

Claims

Vorrichtung (38) für einen Zwischenkreis (20) eines elektrischen Antriebssystems (5), mit einer Auswerteeinrichtung (38A) zum Auswerten, ob die Spannung (Uz) in dem Zwischenkreis (20) eine vorbestimmte Spannungsschwelle (U_M1) überschreitet, deren Spannungswert kleiner als der Spannungswert einer maximalen Grenzspannungsschwelle (U_B2) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) und größer als eine Nennspannung (U_N) des Zwischenkreises (20) ist, und einer Ausgabeeinrichtung (38B) zur Aktivierung eines Motorphasenkurzschlusses durch ein elektrisches Antriebsregelgerät (30) des elektrischen Antriebssystems (5), wenn die Auswerteeinrichtung (38A, 39) auswertet, dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) größer als die maximale Grenzspannungsschwelle (U_B2) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) ist, wobei die Vorrichtung (38) für den Fall eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung (38A, 39), dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) die vorbestimmte Spannungsschwelle (U_M1) überschreitet, ausgestaltet ist, eine Regelung in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom (I) in Wicklungen (40C) des Motors (40A) und der Drehzahl (n) des Motors (40A) und der Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) durchzuführen, um den Energierückfluss aus einer elektrischen Antriebseinrichtung (40) des elektrischen Antriebssystems (5) in den Zwischenkreis (20) zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) nicht erhöht und/oder verringert wird.
Vorrichtung (38) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinrichtung (38A) zudem zum Auswerten ausgestaltet ist, ob die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) den Spannungswert der maximalen Grenzspannungsschwelle (U_B2) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) überschreitet.
Vorrichtung (38) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerteeinrichtung (38A) zudem zum Auswerten ausgestaltet ist, ob die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) eine vorbestimmte Spannung (Umk) unterschreitet, die ein Motor (40A) der elektrischen Antriebseinrichtung (40) aufgrund einer Rotorflussverkettung erzeugen würde, und wobei die Vorrichtung (38) ausgestaltet ist, mit der Ausgabeeinrichtung (38B) keinen Motorphasenkurzschluss des elektrischen Antriebsregelgeräts (30) zu aktivieren oder einen aktivierten Motorphasenkurzschluss aufzuheben, wenn die Auswerteeinrichtung (38A) auswertet, dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) die vorbestimmte Spannung (Umk) übersteigt.
Vorrichtung (38) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (38) ausgestaltet ist, den elektrischen Strom (I) in den Wicklungen (40C) des Motors (40A) solange zu verringern, bis die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) kleiner als die vorbestimmte Schwelle (U_M1) abzüglich einer vorbestimmten Hystereseschwelle (Uh) wird, insbesondere da der elektrische Strom (I) und damit der Leistungszufluss in den Zwischenkreis (20) kleiner ist als der Leistungsabfluss aus dem Zwischenkreis (20), und dann den vom elektrischen Antriebsregelgerät (30) angesteuerten Motorphasenkurzschluss zu deaktivieren.
Vorrichtung (38) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (38A) zudem zum Auswerten ausgestaltet ist, ob die Spannung (Uz) in dem Zwischenkreis (20) zwischen einer oberen und unteren vorbestimmten Spannungsschwelle (U_M1, U_M0) liegt, deren Spannungswerte kleiner als der Spannungswert der maximalen Grenzspannungsschwelle (U_B2) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) und größer als die Nennspannung (U_N) des Zwischenkreises (20) ist, und wobei die Vorrichtung (38) für den Fall eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung (38A, 39), dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) zwischen der oberen und unteren vorbestimmten Spannungsschwelle (U_M1, U_M0) liegt, ausgestaltet ist, eine Regelung in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom (I) in Wicklungen (40C) des Motors (40A) und der Drehzahl (n) des Motors (40A) und der Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) durchzuführen, um den Energierückfluss aus der elektrischen Antriebseinrichtung (40) in den Zwischenkreis (20) zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) nicht erhöht und/oder verringert wird.
Vorrichtung (38) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (38) ausgestaltet ist, bei der Regelung den elektrischen Strom in den Wicklungen (40C) des Motors (40A) auf Null zu regeln, um den Energierückfluss aus der elektrischen Antriebseinrichtung (40) in den Zwischenkreis (20) zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) nicht erhöht und/oder verringert wird.
Vorrichtung (38) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (38) ausgestaltet ist, die Regelung bei einer Deaktivierung der Freigabe eines Betriebs des Motors (40A) oder im Fehlerfall abhängig vom Ausgangszustand des elektrischen Antriebsregelgeräts (30) durchzuführen, um den Energierückfluss aus der elektrischen Antriebseinrichtung (40) in den Zwischenkreis (20) zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) nicht erhöht und/oder verringert wird.
Vorrichtung (38) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Regelung eine Regelung zur Leistungsbegrenzung ist, mit welcher der Energierückfluss aus der elektrischen Antriebseinrichtung (40) in den Zwischenkreis (20) verringert oder gestoppt wird, so dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) nicht erhöht und/oder verringert wird.
Vorrichtung (38) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (38) ausgestaltet ist, den Energiefluss aus der Antriebseinrichtung (40) in den Zwischenkreis (20) bei Einleiten eines Stillsetzvorgangs (Z4) des Antriebssystems (5) zu schätzen, der bei einer Deaktivierung einer Endstufe (300) des elektrischen Antriebssystems (5) auftreten kann, und wobei die Vorrichtung (38) ausgestaltet ist, bereits bei kleineren Spannungen (Uz) als die Grenzspannung (U_B2, U_M1) im Zwischenkreis (20) den Motorphasenkurzschlusses des elektrischen Antriebsregelgerätes (30) zu aktivieren, wenn aufgrund des Schätzergebnisses absehbar ist, dass der Energierückfluss in den Zwischenkreis (20) beim Einleiten der Deaktivierung der Endstufe (300) in jedem Fall zu einer Verletzung der maximalen Grenzspannungsschwelle (U_B2) und/oder der oberen vorbestimmten Spannungsschwelle (U_M1) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) führen wird, und/oder wobei die Vorrichtung (38) optional ausgestaltet ist, den Motorphasenkurzschluss aufzuheben, wenn aufgrund eines zyklisch neu ermittelten Schätzergebnisses absehbar ist, dass der Energierückfluss in den Zwischenkreis (20) die Grenzspannung (U_B2, U_M1) nicht mehr überschreiten wird.
Vorrichtung (38) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (38A) zudem zum Auswerten ausgestaltet ist, ob eine Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) eine vorbestimmte minimale Spannungsschwelle (U_B1) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) unterschreitet oder nicht.
Antriebssystem (5), mit mindestens einem Motor (40A), und mindestens einer Vorrichtung (38) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Antriebssystem (5) nach Anspruch 11, zudem mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (20), einer Endstufe (300), und einer Steuer- und Regeleinheit (37), die zusammen mit der Endstufe (300) zum Wandeln einer Zwischenkreisspannung (Uz) des Gleichspannung-Zwischenkreises (20) in eine Wechselspannung (U1, U2, U3) für den mindestens einen Motor (40A) ausgestaltet ist, und optional einer Erfassungseinrichtung (7) zur Erfassung von Strömen (I1, I2 I3) an dem mindestens einen Motor (40A) und/oder der vorbestimmten Spannung (Umk), die ein Motor (40A) der elektrischen Antriebseinrichtung (40) aufgrund einer Rotorflussverkettung erzeugen würde, wobei die Endstufe (300) zwischen den mindestens einen Motor (40A) und den Zwischenkreis (20) geschaltet ist.
Mobile Arbeitsmaschine, mit einem Antriebssystem (5) nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Gleichspannung-Zwischenkreis (20) eine Energiespeichereinheit (21) mit einer kleineren Kapazität aufweist, als für die Aufnahme von Energie erforderlich ist, die im Betrieb des mindestens einen Motors (40A) gegebenenfalls in den Gleichspannungs-Zwischenkreis (20) gespeist wird.
Verfahren für einen Zwischenkreis (20) eines elektrischen Antriebssystems (5), mit den Schritten Auswerten, mit einer Auswerteeinrichtung (38A), ob die Spannung (Uz) in dem Zwischenkreis (20) eine vorbestimmte Spannungsschwelle (U_M1) überschreitet, deren Spannungswert kleiner als der Spannungswert einer maximalen Grenzspannungsschwelle (U_B2) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) und größer als eine Nennspannung (U_N) des Zwischenkreises (20) ist, Aktivieren, mit einer Ausgabeeinrichtung (38B), eines Motorphasenkurzschlusses durch ein elektrisches Antriebsregelgerät (30) des elektrischen Antriebssystems (5), wenn die Auswerteeinrichtung (38A, 39) auswertet, dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) größer als die maximale Grenzspannungsschwelle (U_B2) für die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) ist, und Durchführen, für den Fall eines Auswerteergebnisses der Auswerteeinrichtung (38A, 39), dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) die vorbestimmte Spannungsschwelle (U_M1) überschreitet, einer Regelung in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom (I) in Wicklungen (40C) des Motors (40A) und der Drehzahl (n) des Motors (40A) und der Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20), um den Energierückfluss aus einer elektrischen Antriebseinrichtung (40) des elektrischen Antriebssystems (5) in den Zwischenkreis (20) zu verringern oder zu stoppen, so dass die Spannung (Uz) im Zwischenkreis (20) nicht erhöht und/oder verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren zyklisch durchgeführt wird, und wobei ausgewertet wird, ob in einem vorangehenden Zyklus ein Motorphasenkurzschluss aktiviert war oder nicht.