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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Antriebssteuereinrichtung für einen
selbstgeführten
Stromrichter gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. 2.
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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 dem deutschen Patent 100 59 173 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, DSS 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. Ein derartiger Impulssperrpfad
IP1 bzw. IP2 stellt eine abschaltbare Spannungsversorgung dar, die
bei der Auslösung "Sicherer Halt" abgeschaltet wird.
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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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die abschaltbaren Spannungsversorgungen
der bekannten Antriebssteuereinrichtung derart weiter zu bilden,
dass deren Schalter ohne Betriebsunterbrechung überprüft werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem
kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 gelöst.
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Dadurch,
dass jedem Schalter ein zweiter Schalter elektrisch parallel geschaltet
ist, wobei diese parallelen Schalter mittels Entkopplungsdioden
voneinander entkoppelt sind, und dass diese Schalter abwechselnd
ein- und ausschaltbar sind, kann ohne Betriebsunterbrechung diese
Schalter auf ihre Funktionstüchtigkeit überprüft werden.
Dazu wird die Spannung am Ausgang eines jeden Schalters erfasst.
Wenn der eine Schalter zwecks Überprüfung abgeschaltet
wird, wird die Spannungsversorgung für die nachfolgende Ansteuerung über den
parallelen geschlossenen Pfad aufrechterhalten. Somit erhält man bezüglich der
Schalter eine Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung.
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Bei
der zweiten erfinderischen Ausgestaltung der Antriebssteuereinrichtung
wird diese Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung dadurch
erreicht, dass den beiden Schaltern gemeinsam eine Schaltungsanordnung
zur Gleichspannungsversorgung nachgeschaltet ist. Diese Schaltungsanordnung
sorgt dafür,
dass die Spannungsversorgung für
die nachgeschalteten Ansteuerschaltungen von der Überprüfung der
eingangsseitigen Schalter unbeeinflusst bleibt. Da diese Schalter
taktend betreibbar sind, können
diese Schalter immer genau dann überprüft werden,
wenn dieser abgeschaltet ist.
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Beiden
Ausführungsformen
der abschaltbaren Spannungsversorgung ist gemeinsam, dass die Schalter
während
des Betriebes fortlaufend ein- und ausgeschaltet werden, ohne dass
sich an den Versorgungseingängen
der nachgeschalteten Ansteuerschaltungen spannungsmäßig sich
was ändert.
Dadurch kann der Zustand jedes Schalters ohne Betriebsunterbrechung überprüft werden,
womit eine Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung erreicht
wird.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen abschaltbaren
Spannungsversorgung 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 Variante einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung,
wobei in der
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3 eine
zweite Variante dieser ersten Ausführungsform veranschaulicht
ist, die
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4 zeigt
eine erste Variante einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung
und die
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5 zeigt
eine zweite Variante dieser zweiten Ausführungsform.
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Bei
den Blockschaltbildern gemäß den 2 bis 5 sind
gegenüber
dem Blockschaltbild gemäß 1 wegen
der Übersichtlichkeit
auf die Darstellung des selbstgeführten Stromrichters W mit Motor
verzichtet worden. Ebenso weisen gleiche Elemente in den 1 bis 5 dieselben
Bezugszeichen auf.
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In
der 2 ist eine erste Variante der ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung
A näher
dargestellt. Diese Antriebssteuereinrichtung A unterscheidet sich
von einer bekannten Antriebssteuereinrichtung A dadurch, dass dem
Schalter S1 bzw. S2, die in dieser Darstellung mit S1A und S2R bezeichnet
sind, einer abschaltbaren Spannungsversorgung einer Ansteuerschaltung
für die
Stromrichterventile T1, T3, T5 bzw. T2, T4, T6 des selbstgeführten Stromrichters
W jeweils ein zweiter Schalter S1B und S2B elektrisch parallel geschaltet
sind. Diese parallel geschalteten Schalter S1A und S1B bzw. S2A
und S2B sind mittels Entkopplungsdioden D1A, D1B bzw. D2A und D2B voneinander
entkoppelt. Am Eingang dieser parallelen Pfade steht eine externe
Spannung SV an, wobei ausgangsseitig die Versorgungsspannung SV1
bzw. SV2 für
die Optokoppler OK1, OK3, OK5 bzw. OK2, OK4, OK6 einer Ansteuerschaltung
der Stromrichterventile T1, T3, T5 bzw. T2, T4, T6 ansteht. An den Ausgängen der
Schalter S1A und S1B bzw. S2A und S2B werden Diagnose-Signale SV1A_Diag
und SV1B_Diag bzw. SV2A_Diag und SV2B_Diag abgegriffen. Die Schalter
S1A und S1B bzw. S2A und S2B werden von der Steuerung I1 bzw. I2,
die in der bekannten Ausführungsform
auch als Impulssperrsteuerung bezeichnet wird, mittels Schaltsignale
IL1A, IL1B bzw. IL2A, IL2B gesteuert. In der bekannten Ausführungsform
nach 1 steuert diese Impulssperrsteuerung I1 bzw. I2
den Schalter S1 bzw. S2 des Impulssperrpfades IP1 bzw. IP2, der
eine abschaltbare Spannungsversorgung darstellt.
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Damit
ohne Betriebsunterbrechung diese Schalter S1A, S1B und S2A, S2B
zyklisch überprüft und dadurch
zwangsdynamisiert werden können, müssen die
Schalter S1A und S1B bzw. S2A und S2B alternierend gesteuert werden.
Dadurch bleibt immer ein Pfad einer jeden abschaltbaren Spannungsversorgung
geschlossen, währenddessen
der dazugehörige
parallele Pfad unterbrochen ist. Die Überprüfung der Schaltfunktion eines
jeden Schalters erfolgt über
sein Diagnose-Signal SV1A_Diag, SV1B_Diag, SV2A_Diag und SV2B_Diag.
Ist die Schaltfunktion eines zu überprüfenden Schalters S1A
bzw. S1B bzw. S2A bzw. S2B in Ordnung, so ist das entsprechende
Diagnose-Signal SV1A_Diag bzw. SV1B_Diag bzw. SV2A_Diag bzw. SV2B_Diag Null.
Ist das Diagnose-Signal SV1A_Diag bzw. SV1B_Diag bzw.
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SV2A_Diag
bzw. SV2B_Diag verschieden von Null, so ist die Schaltfunktion fehlerhaft,
so dass eine Abschaltung des selbstgeführten Stromrichters W erfolgt.
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In
der 3 ist eine zweite Variante der Ausführungsform
nach 2 näher
dargestellt. Diese zweite Variante unterscheidet sich von der ersten
Variante nach 2 dadurch, dass die beiden abschaltbaren
Stromversorgungen nicht jeweils mit einer Ansteuerschaltung verbunden
sind, sondern mit beiden Ansteuerschaltungen verbunden sind. Dazu
sind die beiden abschaltbaren Spannungsversorgungen der ersten Variante
elektrisch in Reihe geschaltet. Durch diese Reihenschaltung zweier
abschaltbarer Spannungsversorgungen ändert sich nichts an der zyklischen Überprüfung der
Schalter S1A, S1B, S2A und S2B. D.h., diese Schalter S1A und S1B
bzw. S2A und S2B werden weiterhin alternierend geschaltet, wobei die
Schalter S1A und S2A bzw. S1B und S2B synchron geschaltet werden,
damit immer ein Pfad geschlossen bleibt. An Stelle der beiden abschaltbaren Spannungsversorgungen,
die elektrisch in Reihe geschaltet sind, funktioniert diese Schaltung
ebenfalls, wenn nur eine Spannungsversorgung für die beiden Ansteuerschaltungen
verwendet wird. D.h., in der Schaltungsanordnung gemäß 3 kann
eine der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Spannungsversorgungen
gestrichen werden.
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In
der 4 ist eine erste Variante einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung
A näher
dargestellt. Bei dieser ersten Variante der zweiten Ausführungsform sind
den beiden Schaltern S1 und S2 eine Schaltungsanordnung VG1 zur
Gleichspannungsversorgung nachgeschaltet. Diese Schaltungsanordnung VG1
weist einen Gleichrichter G1 auf, dem eingangsseitig eine Potentialtrenneinrichtung
A1 vorgeschaltet und ausgangsseitig ein Stützkondensator C1 nachgeschaltet
ist. Als Potentialtrenneinrichtung A1 kann ein induktiver oder kapazitiver Übertrager
verwendet werden. Die beiden Schalter S1 und S2 sind eingangsseitig
gemeinsam mit einer externen Spannung SV verbunden. An den Ausgängen der
Schalter S1 und S2 wird wie bei der bekannten Antriebssteuereinrichtung
A gemäß 1 jeweils
ein Diagnose-Signal
SV1_Diag bzw. SV2_Diag abgegriffen und der Steuerung I1 bzw. I2
(1) zugeführt.
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Diese
beiden Schalter S1 und S2 werden nicht mehr nur eingeschaltet wie
bei der bekannten Ausführungsform
der Antriebssteuereinrichtung A gemäß 1, sondern
getaktet, wobei diese bei dieser Variante im Gegentakt getaktet
werden. Dadurch entsteht jeweils am Ausgang der Schalter S1 und
S2 eine pulsierende Spannung (Wechselgröße), die potential getrennt
zum Gleichrichter G1 übertragen wird.
Am Ausgang dieses Gleichrichters G1 steht dann die Versorgungsspannung
SV1 für
die beiden Ansteuerschaltungen an. Die am Gleichrichter G1 anstehende
Spannung wird noch mittels des Stützkondensators C1 ge glättet, bevor
diese Spannung als Versorgungsspannung SV1 verwendet wird.
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Jedes
Mal, wenn eines der beiden im Gegentakt getakteten Schalter S1 und
S2 ausgeschaltet ist, wird mittels des Diagnose-Signals SV1_Diag
bzw. SV2_Diag die Schaltfunktion eines jeden Schalters S1 und S2 überprüft. Ist
die Schaltfunktion eines zu überprüfenden Schalter
S1 bzw. S2 in Ordnung, so ist das entsprechende Diagnose-Signal
SV1_Diag bzw. SV2_Diag Null, ansonsten verschieden von Null.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht
darin, dass während
des Betriebes des selbstgeführten
Stromrichters W ein Kurzschluss am Schalter erfasst werden kann.
Dazu wird in der Potentialtrenneinrichtung A1 ein Diagnose-Kurzschluss-Signal K abgegriffen.
Beispielsweise kann in dieser Potentialtrenneinrichtung A1 ein Strom
erfasst werden. Wird dieser zu Null, werden die Optokoppler OK1
bis OK6 weiterhin aus dem Stützkondensator C1
mit Spannung versorgt, und es muss ein Kurzschluss oder Leitungsbruch
vorliegen.
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In
der 5 ist eine zweite Variante der zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Antriebssteuereinrichtung
A näher
dargestellt. Diese unterscheidet sich von der ersten Variante dadurch, dass
eine zweite Schaltungsanordnung VG2 vorgesehen ist, die mit der
ersten identisch ist. Dieser zweiten Schaltungsanordnung VG2 zur
Gleichspannungsversorgung ist eingangsseitig der Schalter S2 vorgeschaltet
und ausgangsseitig ist die Ansteuerschaltung für die Stromrichterventile T2,
T4, T6 der unteren Brückenhälfte des
selbstgeführten
Stromrichters W nachgeschaltet. Somit hat jede der beiden Ansteuerschaltungen
eine erfindungsgemäße abschaltbare
Spannungsversorgung die es erlaubt, ohne Betriebsunterbrechung die
Schalter S1 und S2 hinsichtlich ihrer Schaltfunktion zyklisch zu überprüfen. D.h.,
man erhält
eine Zwangsdynamisierung ohne Betriebsunterbrechung.