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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Antriebssteuereinrichtung für einen
selbstgeführten
Stromrichter gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Beim
Einsatz von elektrischen Antrieben in der industriellen Automatisierungstechnik,
z. B. bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen und Robotern,
wird ein möglichst
hoher Schutz von Mensch und Maschine angestrebt. Mit einer Funktion "Sicherer Halt" für den Motor
soll gewährleistet
werden, dass auch im Ein-Fehler-Fall die elektrische Maschine bzw.
der Motor keine gefahrbringenden Bewegungen ausführen kann. Diese Funktion wird
in der Regel betriebsmäßig angewählt, z.
B. vor dem Öffnen
einer Schutztür.
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Für die Funktion "Sicherer Halt" ist bei einer Realisierung
in sicherer Technik eine zweifache Energieabschaltung und damit
Trennung zum Motor erforderlich. Es wird dabei allgemein akzeptiert,
die unteren und/oder die oberen Stromrichterventile eines selbstgeführten Stromrichters
mit Brückenschaltung getrennt
abzuschalten.
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Eine
bekannte Möglichkeit
für die
Realisierung der Funktion "Sicherer
Halt" besteht darin,
die Ansteuersignale für
die Stromrichterventile "sicher" zu sperren, was
der Fachmann mit dem Begriff "Impulssperre" bezeichnet, oder
aber alle Stromrichterventile abzuschalten.
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Mit
dem Ausdruck "sicher" soll dabei zum Ausdruck
gebracht werden, dass die jeweiligen Anforderungen im Sinne der
Berufsgenossenschaften und berufsgenossenschaftlichen Institute
für Arbeitssicherheit
erfüllt
werden.
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Eine
gattungsgemäße Antriebssteuereinrichtung
ist aus der
DE 100
59 173 C1 bekannt. In der
1 ist diese
gattungsgemäße Antriebssteuereinrichtung
näher dargestellt.
Diese Antriebssteuereinrichtung für einen selbstgeführten Stromrichter
W weist für
die Stromrichterventile T1, T3, T5 bzw. T2, T4, T6 pro Brückenhälfte eine
Ansteuerschaltung auf, von denen nur die Optokoppler OK1, OK3, OK5 bzw.
OK2, OK4, OK6 veranschaulicht sind. Jede Fotodiode dieser Optokoppler
Ok1, OK3, OK5 bzw. OK2, OK4, OK6 ist anodenseitig mit einer Versorgungsspannung
SV1 bzw. SV2 verbunden und kathodenseitig über einen Widerstand RS1, RS3,
RS5 bzw. RS2, RS4, RS6 und einer nachgeschalteten in Flussrichtung
gepolten Diode DS1, DS3, DS5 bzw. DS2, DS4, DS6 mit einer Impulssperrsteuerung
I1 bzw. I2 elektrisch leitend verbunden. Die Versorgungsspannung
SV1 bzw. SV2 steht am Ausgang eines Impulssperrpfades IP1 bzw. IP2
an. Die Impulssperrpfade IP1 und IP2 weisen jeweils einen Schalter S1
und S2 auf, die jeweils signaltechnisch mit der korrespondierenden
Impulssperrsteuerung I1 bzw. I2 verbunden sind. Ausgangsseitig ist
der Impulssperrpfad IP1 bzw. IP2 mittels einer Diagnoseleitung,
in der eine Entkopplungsdiode eingebunden ist, signaltechnisch mit
der korrespondierenden Impulssperrsteuerung I1 bzw. I2 verbunden.
Hiermit steht an jeder Impulssperrsteuerung ein Diagnose-Signal SV1_Diag
bzw. SV2_Diag an.
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Die
Funktion "Sicherer
Halt" wird durch
eine Impulssperre realisiert, indem betriebsmäßig oder im Fehlerfall die
Stromrichterventile T1 bis T6 des Wechselrichters W abgeschaltet
werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch Unterbrechen der aus einer
externen Spannung SV abgeleiteten Versorgungsspannung SV1 für die Optokoppler
OK1, OK3 und OK5 für den
oberen Brückenzweig
von Stromrichterventilen über
einen Schalter S1 (mechanischer oder auch elektronischer Bauart)
mit dem Signal IL1 durch die Impulssperrsteuerung I1 und einer weiteren
Versorgungsspannung SV2 für
die Optokoppler OK2, OK4 und OK6 für den unteren Brückenzweig über einen Schalter
S2 (mechanischer oder auch elektronischer Bauart) mit dem Signal
IL2 durch die Impulssperrsteuerung I2 sowie durch Impulssperre im
Steuersatz ST.
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Die
Funktion der beiden Impulssperrpfade IP1 und IP2 mit den Schaltern
S1 und S2 kann zyklisch überprüft und damit
zwangsdynamisiert werden, z. B. nach jedem Einschalten der Versorgungsspannung.
Dazu wird nach Betätigen
der Schalter S1 und S2 die Versorgungsspannung SV1 über das
jeweils hinter dem Schalter S1 und S2 abgegriffenes Signal SV1_Diag
und für
die Versorgungsspannung SV2 über
das Signal SV2_Diag in der Impulssteuerung I1 zurückgelesen.
D. h., bei Ausfall einer Impulssteuerung I1 oder I2 kann immer noch
die funktionsfähige
andere Impulssperrsteuerung I2 oder I1 reagieren, da auch sogenannte
schlafende Fehler durch die Zwangsdynamisierung aufgedeckt werden.
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Abschaltpfade
müssen
auf Fehler getestet werden, da die Ausfallwahrscheinlichkeit der
beteiligten Bauelemente nicht Null ist. Für die Funktion "Sicherer Halt" werden zwei redundante
Abschaltpfade verlangt, die in vorgeschriebenen Testintervallen
von beispielsweise 8 Stunden überprüft werden.
Dadurch wird eine geforderte Ein-Fehler-Sicherheit erreicht. Für die Überprüfung wird
der Betrieb unterbrochen. Aus diesem Grund besteht zur Zeit nicht
der Bedarf an wesentlich häufigeren
Tests der Abschaltpfade. Wünschenswert
wäre eine
beliebige Überprüfung ohne
Betriebsunterbrechung.
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Aus
der
DE 198 13 389
A1 ist eine sicherheitsgerichtete Ansteuerschaltung für einen
elektrischen Verbraucher, beispielsweise ein Motorschütz, bekannt,
die einen ersten Kanal mit einer programmierbaren Steuereinheit
zur Ansteuerung von zumindest einem ersten elektronischen Schaltelement
und einen zweiten Kanal mit einer programmierbaren Steuereinheit
zur Ansteuerung von zumindest einem zweiten elektronischen Schaltelement
aufweist. Mittels dieser beiden elektronischen Schaltelemente wird
der elektrische Verbraucher mit einer Betriebsspannung verknüpft. Des
Weiteren umfasst diese sicherheitsgerichtete Ansteuerschaltung zwei
Relais, wobei das ers te Relais einen Ausgang der ersten programmierbaren
Steuereinheit mit einem Eingang der zweiten programmierbaren Steuereinheit
verbinden. Entsprechend verbindet das zweite Relais einen Ausgang
der zweiten programmierbaren Steuerung mit einem Eingang der ersten
programmierbaren Steuerung. Um eine sichere Funktion dieser Schaltungsanordnung
zu gewährleisten,
sind diese beiden Relais zwangsgeführt ausgeführt. Die elektronischen Schaltelemente
des ersten Kanals sind über
zwei in Reihe liegender Reilaiskontakte des ersten Relais mit einer
positiven Betriebsspannung verbunden, wobei die elektronischen Schaltelemente
des zweiten Kanals über
zwei in Reihe liegender Relaiskontakte des zweiten Relais mit einer
negativen Betriebsspannung verbunden sind. Diese Verschaltung dieser
Relaiskontakte der zwangsgeführten
Relais entspricht einem sogenannten sicheren Vergleicher. Im Betrieb werden
die Ausgänge
der sicherheitsgerichteten Ansteuerschaltung, an denen ein Verbraucher
angeschlossen ist, derart getestet, dass die erste programmierbare
Steuereinheit kurzzeitig den zugehörigen Ausgangstransistors abschaltet. Über einen Rücklesepfad
erhält
die zweite programmierbare Steuereinheit die Information, ob der
Ausgangsstransistor tatsächlich
seine Funktion erfüllt
hat. Sollte die nicht der Fall sein, so würde die zweite programmierbare
Steuereinrichtung mittels seines Relais die sicherheitsgerichtete
Ansteuerschaltung abschalten. Die Zeit des kurzzeitigen Abschaltens
ist derart bemessen, dass diese kürzer sein muss als eine Reaktionszeit
eines angeschlossenen Verbrauchers. Da diese Zeitspanne zum Testen
eines Abschaltpfades von der Reaktionszeit eines angeschlossenen
Verbrauchers abhängig
ist, muss die sicherheitsgerichtete Ansteuerschaltung immer auf
den angeschlossenen Verbraucher abgestimmt werden.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Impulssperrpfade der
bekannten Antriebssteuereinrichtung derart weiter zu bilden, dass
während
des Betriebes die Impulssperrpfade unabhängig vom angeschlossenen Verbraucher überprüft werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem
kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass eine Vorrichtung zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung der
Ansteuerschaltung vor gesehen ist, die in jedem Impulssperrpfad dem
Schalter nachgeschaltet ist, besteht nun die Möglichkeit zu beliebigen Zeitpunkten
die Impulssperrpfade zu überprüfen, wobei
der Betrieb nicht unterbrochen werden muss. Die Vorrichtung zur
Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung ist derart dimensioniert,
dass für
den Zeitraum der Überprüfung die
Versorgungsspannung nicht mehr wesentlich absinken darf. Da diese Überprüfung ohne
eine Betriebsunterbrechung stattfindet, kann man diese Überprüfung uneingeschränkt durchführen.
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In
den Unteransprüchen
2 und 3 sind zwei Ausführungsformen
einer Vorrichtung zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung beansprucht.
Beiden Ausführungsformen
gemeinsam ist ein Stützkondensator,
dessen Kondensatorwert für
die Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung verantwortlich ist.
Mit der Ausführungsform nach
Anspruch 3 kann neben der Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung
auch noch ein Kurzschluss im Impulssperrpfad aufgedeckt werden, ohne
das der Betrieb unterbrochen werden muss.
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Bei
einer bekannten Antriebssteuereinrichtung mit zwei Impulssperrpfaden
werden zwei Vorrichtungen zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung
benötigt.
Weist jedoch eine Antriebssteuereinrichtung nur einen Impulssperrpfad auf,
so sind in diesem Pfad zwei Schalter elektrisch in Reihe geschaltet.
Da nur ein Impulssperrpfad vorhanden ist, wird auch nur eine Vorrichtung
zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung benötigt.
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Bei
jeweils einer vorteilhaften Ausführungsform
der beiden Ausführungsformen
der Vorrichtung gemäß Anspruch
2 bzw. 3 ist elektrisch parallel zum Stützkondensator ein Lastwiderstand
geschaltet. Durch diesen Lastwiderstand wird die Vorrichtung unabhängig vom
Laststrom durch die Optokoppler der beiden Ansteuerschaltungen der
Antriebssteuereinrichtung. Zusätzlich
bewirkt der Lastwiderstand, dass bei einer stationären Ab schaltung
der Antriebssteuereinrichtung der Stützkondensator möglichst schnell
entladen werden kann.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung schematisch
veranschaulicht sind.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer bekannten Antriebssteuereinrichtung mit
der Funktion "Sicherer
Halt", die
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eines Impulssperrpfades, die
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eines Impulssperrpfades und in der
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4 ist
eine weitere Ausführungsform
der Ausführungsform
nach 3 näher
dargestellt.
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Bei
den Blockschaltbildern gemäß den 2 bis 4 sind
gegenüber
dem Blockschaltbild gemäß 1 wegen
der Übersichtlichkeit
auf die Darstellung des selbstgeführten Stromrichters W mit Motor
M verzichtet worden. Ebenso weisen gleiche Elemente in den 1 bis 4 dieselben
Bezugszeichen auf.
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In
der 2 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung A
näher dargestellt.
Diese Antriebssteuereinrichtung A unterscheidet sich von einer bekannten
Antriebssteuereinrichtung A dadurch, dass im Impulssperrpfad IP
eine Vorrichtung VA zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung einer Versorgungsspannung
SV12 zweier Ansteuerschaltungen angeordnet ist. Gegenüber der
Ausführungsform
gemäß 1 weist
diese Antriebssteuereinrichtung A nur einen Impulssperrpfad IP auf,
in dem zwei Schalter S1 und S2 eingebracht sind, die elektrisch
in Reihe geschaltet sind. Jeder Schalter S1 und S2 wird mittels
eines Steuersignals IL1 und IL2 von zwei Impulssperrsteuerungen I1
und I2 (nicht näher
dargestellt) geöffnet.
Am Ausgang des Schalters S2 steht eine aus einer externen Spannung
SV abgeleitete Versorgungsspan nung SV12 an. Diese Spannung SV12
wird mittels der im Impulssperrpfad IP nachgeschalteten Vorrichtung
VA für
kurzzeitige Aufrechterhaltung gepuffert. Diese gepufferte Versorgungsspannung
SV12' dient als
Versorgungsspannung der beiden Ansteuerschaltungen für die Stromrichterventile
T1 bis T6 des selbstgeführten
Stromrichters W.
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Bei
dieser Darstellung der Vorrichtung VA handelt es sich um eine bevorzugte
Ausführungsform.
Zunächst
umfasst diese Vorrichtung VA einen Stützkondensator C, der gegen
Erde geschaltet ist. Dieser Stützkondensator
C ist mittels einer Entkopplungsdiode D von den reihengeschalteten
Schaltern S1 und S2 entkoppelt, so dass sich dieser Stützkondensator
C in geordneten Zustand, d. h. Impulsfreigabe, nicht entladen kann.
Diese Schaltungsanordnung wird zusätzlich mit einem Lastwiderstand
R versehen, der elektrisch parallel zum Stützkondensator C geschaltet
ist. Mit diesen Lastwiderstand R wird die Vorrichtung VA zur kurzzeitigen
Aufrechterhaltung der gepufferten Versorgungsspannung SV12' unabhängig vom
Laststrom durch die Optokoppler OK1 bis OK6. Außerdem kann bei einer stationären Abschaltung
der Stützkondensator
C umgehend entladen werden.
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Im
ordnungsgemäßen Zustand
des Impulssperrpfades IP sind die beiden Schalter S1 und S2 geschlossen.
Dadurch lädt
sich der Stützkondensator
C auf und am Ausgang der Vorrichtung VA steht eine gepufferte Versorgungsspannung
SV12' an. Der Kondensatorwert
des Stützkondensators
C ist derart bemessen, dass für
die Zeit der Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung die
Versorgungsspannung SV12' nicht
nennenswert einbricht. In Abhängigkeit
der Steuersignale IL1 und IL2 der Impulssperrsteuerung I1 und I2
kann der Schalter S1 und S2 kurzzeitig geöffnet werden. Nachdem einer
der beiden Schalter S1 oder S2 geöffnet worden ist, wird mittels
des Diagnosesignals SV12_Diag, dass am Eingang der Vorrichtung VA
abgegriffen wird, die Funktionsfähigkeit
des geöffneten
Schalters S1 oder S2 überprüft. Ist
dieses Diagnosesignal SV12_Diag nach dem Öffnen eines Schalters S1 bzw.
S2 Null, so ist der geöffnete
Schalter S1 bzw. S2 funktionstüchtig.
Das gleiche wird mit dem zweiten Schalter S2 bzw. S1 durchgeführt.
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Unabhängig von
der Spannung am Eingang der Vorrichtung VA ist die Versorgungsspannung SV12' am Ausgang der Vorrichtung
VA auf einen vorbestimmten Wert gepuffert. Durch diese Pufferung der
Versorgungsspannung SV12',
können
die Schalter S1 und S2 beispielsweise fortlaufend ohne eine Beriebsunterbrechung
getestet werden.
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In
der 3 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung
VA des Impulssperrpfades IP veranschaulicht. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 2 dadurch,
dass anstelle der Entkopplungsdiode D eine Speicherdrossel L vorgesehen
ist. Außerdem
ist eingangsseitig gegen Erde eine Freilaufdiode DF vorgesehen.
Auch bei dieser Ausführungsform
ist elektrisch parallel zum Stützkondensator
C ein Lastwiderstand R geschaltet. Somit handelt es sich bei dieser zweiten
Ausführungsform
der Vorrichtung VA ebenfalls um eine vorteilhafte Ausführungsform.
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Im
geordneten Zustand (Impulsfreigabe) sind die beiden Schalter S1
und S2 geschlossen. Der Stützkondensator
C ist aufgeladen, so dass am Ausgang der Vorrichtung VA eine gepufferte
Versorgungsspannung SV12' vorbestimmten
Betrages ansteht. In Abhängigkeit
der Impulssperrsteuerung I1 und I2 wird ein Schalter S1 oder S2
geöffnet.
Mit dem Öffnen
eines der beiden Schalter S1 und S2 des Impulssperrpfades IP kommutiert
der Strom durch die Speicherdrossel L auf die Freilaufdiode DF.
Dadurch sinkt der Wert der Eingangsspannung U1 auf eine negative
Diodendurchlassspannung. Dieser Wert wird mittels des Diagnosesignals
SV12_Diag der korrespondierenden Impulssperrsteuerung I1 oder I2 zugeführt. Wenn
jedes Mal diese Eingangsspannung U1 auf den angegebenen Wert absinkt,
sind die Schalter S1 und S2 funktionstüchtig. Bleibt der Wert der
Eingangsspannung U1 der Vorrichtung VA auf den Wert der externen Spannung
SV, so steht ein Kurzschluss am zu prüfenden Schalter S1 oder S2 an.
Diese Überprüfung der
Schalter S1 und S2 wird ohne Betriebsunterbrechung durchgeführt.
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In
der 4 ist ebenfalls eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung
näher dargestellt.
Gegenüber
der Ausführungsform
nach 3 weist diese Antriebssteuereinrichtung zwei Impulssperrpfade
IP1 und IP2 auf. In jedem Impulssperrpfad IP1 und IP2 ist eine Vorrichtung
VA zur kurzzeitigen Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung SV1
und SV2 angeordnet. Diese Vorrichtung VA entspricht der Vorrichtung
VA nach 3. Durch die Verwendung von
zwei Impulssperrpfaden IP1 und IP2 können die Impulse entweder für die Stromrichterventile
T1, T3, T5 oder für
die Stromrichterventile T2, T4, T6 oder für alle Stromrichterventile
T1 bis T6 des selbstgeführten
Stromrichters W gesperrt werden. Ansonsten verläuft die Zwangsdynamisierung
ohne Betriebsunterbrechung wie bei der Ausführungsform gemäß 3.
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Durch
die Verwendung einer Speicherdrossel L in den Ausführungsformen
gemäß 3 und 4 kann
jeweils ein Kurzschluss zwischen der externen Spannung SV und der
gepufferten Versorgungsspannung SV12' bzw. der gepufferten Versorgungsspannung
SV1' bzw. SV2' ohne Betriebsunterbrechung
aufgedeckt werden. Tritt im Impulssperrpfad ein Kurzschluss KS auf,
der beispielsweise in der Ausführungsform
nach 3 eingetragen ist, fließt kein Strom durch diese Speicherdrossel
L. Nach Öffnen
der Schalter S1 und S2 erfolgt keine Kummutierung des Stromes, so
dass der Wert der Spannung SV12 auf den Wert der externen Spannung
SV bleibt.