DE19740016C2

DE19740016C2 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben einer Erregerspule einer elektromagnetisch betätigbaren, mechanischen Bremse eines Elektromotors

Info

Publication number: DE19740016C2
Application number: DE1997140016
Authority: DE
Inventors: Joerg Roth-Stielow; Josef Schmidt
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 1997-09-11
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: DE19740016A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfah ren für den Betrieb einer elektromagnetisch betätigbaren, me chanischen Bremse eines Elektromotors, insbesondere eines Getriebemotors, an Stromversorgungen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen.

Elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren lassen sich sehr gut in ihrer Drehzahl steuern. Um die an sich schon gute Steuerbarkeit zu verbessern, ist es bekannt, mechanische Brem sen vorzusehen, die über eine Elektromagnet-Anordnung gelöst bzw. gelüftet werden können. Während des Betriebes des Elektro motors bestromt man eine Erregerspule der elektromagnetisch be tätigten, mechanischen Bremse zusammen mit dem Elektromotor. Im unbestromten Zustand wird der Elektromotor aufgrund einer Fe derkraft, die auf die Bremse wirkt, festgehalten.

Weiterhin ist es bekannt, die Elektromotoren an einem Wechsel- bzw. Drehstromnetz zu betreiben. Bei Verwendung einer mit Gleichstrom zu betreibenden Erregerspule werden daher Umrichter bzw. Gleichrichter eingesetzt. Wegen der weltweit unterschied lichen Betriebsspannungen von Wechsel- bzw. Drehstromnetzen wird eine Vielzahl von Varianten mit Erregerspulen für unter schiedliche Betriebsspannungen hergestellt und vertrieben. Aus dem gleichen Grund wird auch eine Vielzahl unterschiedlicher Gleichrichter-Schaltungsanordnungen produziert. Um durch grö ßere Produktionszahlen zu einer Kostenreduktion zu kommen, gibt es bereits Bestrebungen, eine unter mehreren weltweit üblichen Spannungsklassen betreibbare Gleichrichter-Schaltungsanordnung einzusetzen. Da sich aber die durch die Schaltungsanordnung er zeugte Gleichspannung in ihrer Höhe nach der Höhe der Wechsel spannung richtet, ist die Erregerspule der elektromagnetisch betätigbaren, mechanischen Bremse jeweils genau an die am Ein satzort verfügbare Netzspannung anzupassen.

Aus der EP 0 575 023 A1 ist eine Ansteuerschaltung für eine Gleichstrom betätigte Bremse eines Elektromotors bekannt. Zum Lüften der Bremse ist ein Elektromagnet mit einer Erregerspule vorgesehen. Die Stromversorgung des Elektromotors ist mit einer Gleichrichterschaltung verbunden, die die Erregerspule in ein Schaltsystem mit elektronischen Schaltelementen für die Erre gerspule speist. Weiterhin ist ein Freilaufkreis für die Erre gerspule vorhanden. Ein elektronisches Schaltelement für die Erregerspule ist durch das Schaltsystem derart steuerbar, daß beim Einschalten des Elektromotors dieses unter Erzeugung einer Übererregung der Erregerspule voll durchsteuert und nach einer kurzen Zeitspanne zur Herabsetzung der Spulenspannung auf eine vorgewählte Spannung pulsweitenmoduliert gesteuert wird. Im Freilaufkreis der Erregerspule ist ein weiteres elektronisches Schaltelement angeordnet, das parallel mit dem Schaltelement für die Erregerspule von dem System zum schnellen Ein- und Ausschalten der Bremse ansteuerbar ist. Mit dieser Lösung soll insbesondere ein Tipp-Betrieb für schnelle Bremsmotoren mit Wiederhol-Intervallen von ca. 100 ms möglich sein. Somit handelt es sich bei dem Gegenstand aus dieser Druckschrift um eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Minimieren der Schalt zeit der Bremse und zum Erhöhen der Wiederholbereitschaft des Schaltvorganges.

Aus der DE 23 33 570 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Spei sung eines Gleichstromverbrauches aus einer Wechselstromquelle über einen Gleichrichter bekannt. Zwischen dem Gleichrichter und dem Gleichstromverbraucher ist ein Gleichstromsteller ge schaltet, dessen Steuersatz mit der Wechselstromquelle syn chronisiert ist. Insbesondere ist zur Synchronisierung des Steuersatzes dem Steuersatz eine Stufe zur Erfassung der 0- Durchgänge der Spannung der Wechselstromquelle zugeordnet. Zweck der so ausgestalteten Schaltungsanordnung ist die Ein stellung eines vorgegebenen oder vorgebbaren Leistungsfaktors, d. h. dem Cosinuswert des Fasenwinkels zwischen dem tatsächlich fließenden Strom durch den Gleichstromverbraucher und dem Wirk strom, der mit der Wechselspannung in Fase ist. Diese Druck schrift lehrt also zur Leistungsfaktor-Regelung den Steuersatz mit dem Wechselstromnetz zu synchronisieren. Es wird also eine Regelung bewirkt, bei der Informationen über den tatsächlichen Betriebszustand des Wechselstromnetzes für die Regelung verwen det werden. Der zeitliche Verlauf der Spannung und des Stromes in den Wechselstromnetz hängt aber von der Größe der Nennspan nung oder Effektivspannung ab. Somit wird bei unterschiedlichen Gleichstromverbrauchern immer eine Leistungsfaktorregelung er möglicht und nicht bei immer demselben Gleichstromverbraucher (Erregerspule) ein Betrieb an Wechsel- oder Drehstromnetzen mit unterschiedlich hohen Betriebsspannungen (Nennspannungen) er möglicht.

Aus der JP 4-96675 A ist eine Steuerungsschaltung für eine Bremse eines Antriebs bei einem Aufzug bekannt. Die Steuerschaltung weist einen Gleichspannungskreis auf, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Die Spannungsquelle ist eine Gleichrichtereinheit, welche an ein Wechselstromnetz an geschlossen ist und die an ihr anliegende Wechselspannung in eine sich im Zeitverlauf ändernde Gleichspannung umwandelt. Die Gleichrichtereinheit ist in Brückenschaltung mit mindestens zwei Gleichrichterdioden ausgeführt. Zwischen die gleichspan nungsseitigen Ausgangsanschlüsse der Spannungsquelle ist ein Kondensator geschaltet, der die Gleichspannung glättet.

Mit Hilfe der von der Spannungsquelle erzeugten Gleichspannung kann eine Erregerspule einer elektromagnetisch betätigbaren, mechanischen Bremse eines Elektromotors betrieben werden. Ein Strompfad für einen Erregerstrom führt von der Spannungsquelle zur Erregerspule und zurück. Im Verlauf des Strompfades sind ein Stromsensor, eine elektromagnetischer Schalter, die Erregerspule und ein elektromagnetisches Ventil in Reihe ge schaltet. Zum Freigeben und Sperren des Strompfades ist das Ventil über einen Steuereingang von einer Treibereinheit an steuerbar. Über eine Freilaufdiode ist eine Hauptstromelektrode des Ventils direkt mit einem Stromsensor verbunden, so daß bei ausgeschaltetem Ventil, bzw. gesperrtem Strompfad, ein Erregerstrom durch die Freilaufdiode, den Stromsensor, den elektromagnetischen Schalter und die Erregerspule fließen kann. Sollte der Erregerstrom annähernd 0 werden, d. h. das Magnetfeld der Erregerspule nicht benötigt werden, wird der elektromagnetische Schalter ausgeschaltet, um die Erregerspule zu schützen. Die Gleichspannung wird während der Erregung der Bremsspule nicht den Wert 0 oder annähernd den Wert 0 erreichen. Daraus folgt aber, daß die Versorgungsspannung der Erregerspule abhängig von der Nennspannung des Wechselspannungsnetzes jeweils etwa konstant bei unterschiedlich hohen Werten liegt. Je nachdem wie hoch oder niedrig der Wert ist, kann daher dieselbe Erregerspule unter Umständen garnicht die zur Betätigung der Bremse erforderliche Magnetkraft erzeugen oder die Erregerspule kann überlastet oder zerstört werden.

Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für den Betrieb, so wie ein Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetisch betä tigbaren, mechanischen Bremse eines Elektromotors, insbesondere eines Getriebemotors, an Stromversorgungen mit unterschiedli chen Betriebsspannungen anzugeben, so daß derselbe Typ einer Erregerspule an Wechsel- bzw. Drehstromnetzen mit unterschied lich hohen Versorgungsspannungen betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Pa tentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Patentanspruch 14 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient der Steuerung bzw. Regelung eines Erregerstromes durch eine Erregerspule einer elektromagnetisch betätigbaren, mechanischen Bremse eines Elektromotors. Gemäß einem Kerngedanken der Erfindung ist ein elektronisches Ventil vorgesehen, über dessen Hauptstromelek troden der Strompfad führt, über welchen eine Erregerspule zum Betätigen, insbesondere zum Lüften, der Bremse von einer Gleichspannungsquelle mit Strom versorgt wird. Das elektromag netische Ventil weist einen Steuereingang zum Ein- und Aus schalten des Ventils, d. h. zum Sperren und Öffnen des Strom pfades auf. Eine Steuereinheit ist mit dem Steuereingang ver bunden und derart ausgebildet, daß das Ventil zum Freigeben des Strompfades im wesentlichen zum Beginn der Zeitperiode einge schaltet und beim Erreichen eines vorgegebenen oder vorgebbaren Stromflußwertes I_max des Erregerstromes innerhalb der Zeitperiode zum Sperren des Strompfades ausgeschaltet wird. Die Steuereinheit wird so betrieben, daß während eines Zeitraumes, in welchem die Erregerspule dauerhaft erregt ist bzw. erregt werden soll, das Ein- und Ausschalten des Ventils zum Freigeben und Sperren des Strompfades in jeder Zeitperiode wiederholt wird.

Vorzugsweise wird die Schaltungsanordnung an einer Ein-Phasen- Wechselstromquelle bzw. an einer Phase eines Drehstromnetzes betrieben. Der Ein-Phasen-Betrieb ist schaltungstechnisch be sonders einfach und damit kostengünstig erreichbar.

Bevorzugtermaßen ist das Ventil ein Schalt-Transistor, vorzugs weise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Ein IGBT ist dazu in der Lage, bei hohen Betriebsspannungen hohe Ströme zu schalten und kann mit einfachen Mitteln angesteuert werden.

Bevorzugtermaßen wird die Erregerspule mit durch eine Gleich richtereinheit erzeugtem Gleichstrom betrieben. In diesem Fall reicht ein einfacher Aufbau der Schaltungsanordnung aus, bei dem das elektronische Ventil nur in einer Richtung für Strom durchlässig ist. Weitere Vorteile einer mit Gleichstrom be triebenen Erregerspule sind gegenüber Wechselstromspulen ver ringerte Schalt- und gegebenenfalls Eisenverluste.

Besonders günstig ist eine Weiterbildung der Schaltungsanord nung, bei der die Steuereinheit zur Steuerung des Ventils einen elektronischen Schalter aufweist, der parallel zu einer Steuer strecke des Ventils geschaltet ist. Im Betrieb der Schaltungs anordnung bei eingeschaltetem Ventil liegt zumindest ein Teil einer von der Gleichrichtereinheit erzeugten Gleichspannung an der Steuerstrecke an, wohingegen das Ventil ausgeschaltet ist, während der Schalter einen leitfähigen Zustand innehat. Als Schalter werden insbesondere ein Thyristor oder ein von einem Operationsverstärker angesteuerter Transistor eingesetzt. Bei dieser Weiterbildung kann eine periodisch schwankende Gleich spannung zur Steuerung des Schalters genutzt werden, wobei sich bei oder nach Abfallen der Gleichspannung der Schalter automa tisch öffnet, und wobei der Schalter bei Erreichen des vorgege benen Höchstwertes des Erregerstromes geschlossen wird. Eine Steuerungslogik in der Art eines Computergestützten Programmes ist daher nicht erforderlich. Die Steuerung basiert also auf durch die Abstimmung der Schaltungsanordnung vorgebbaren Para metern in Kombination mit der Versorgungsspannung bzw. einer von der Versorgungsspannung abhängigen sekundären Spannung, insbesondere der periodisch schwankenden Gleichspannung.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Schaltungsan ordnung ist der Steuereinheit eine Spannung, die bei Stromfluß an einem im Strompfad liegenden Widerstand abfällt, als Steuer größe zugeschaltet, d. h. die Spannung liegt an einem oder meh reren Elementen der Steuereinheit an. Diese Weiterbildung ist schaltungstechnisch besonders einfach und kostengünstig zu re alisieren.

Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der die Steuereinheit eine Komparatorschaltung aufweist, die an eine Referenzspannungs quelle angeschlossen oder anschließbar ist. Die, vorzugsweise veränderbare, Referenzspannung ist dabei ein Maß für den Höchstwert des Erregerstromes. Die Komparatorschaltung ver gleicht die Referenzspannung mit einer Spannung, deren Höhe von der Stärke des Erregerstromes abhängt. Hierzu wird insbesondere beim Erreichen des Stromhöchstwertes ein Signal hervorgerufen, das die Sperrung des Strompfades auslöst. Vorzugsweise wird durch das Signal ein elektronischer Schalter betätigt, der die Sperrung des Strompfades bewirkt. Das Signal resultiert insbe sondere in einer Spannung, die die Komparatorschaltung mit der Referenzspannung vergleicht, wobei vorzugsweise bei Überein stimmung der Spannung mit der Referenzspannung die Sperrung des Strompfades ausgelöst wird.

Ist die Referenzspannung veränderbar, so ist es möglich, kurz zeitig, beispielsweise unmittelbar nach dem Einschalten einer Versorgungsspannung, einen besonders hohen Erregerstrom und später einen niedrigeren Dauerstrom einzustellen. Wird also die Referenzspannung im Zeitverlauf geändert, so wird damit auch der vorgegebene Stromhöchstwert geändert. Damit kann insbeson dere die Steuerbarkeit des Elektromotors durch die elektro magnetisch betätigbare, mechanische Bremse weiter verbessert werden.

Ein weiterer Vorteil der Ausgestaltung ist, daß auch hier zwar immer derselbe Typ einer Erregerspule verwendet werden kann, daß jedoch auch ein anderer Typ einsetzbar ist, wenn die Re ferenzspannung entsprechend eingestellt wird. Dies kann bei spielsweise beim Auswechseln einer defekten Erregerspule ent scheidend sein, wenn der Wartungsmonteur nur einen anderen Typ zum Auswechseln zur Verfügung hat.

Vorzugsweise weist das elektronische Ventil der erfindungsgemä ßen Schaltungsanordnung eine Hauptstromelektrode zur Leitung eines Hauptstromes, eine Steuerelektrode zur Leitung eines Steuerstromes und eine dritte Elektrode zur Leitung sowohl des Hauptstromes als auch des Steuerstromes auf und ist in Reihe zu einer Steuerstrecke des Ventils, die sich zwischen der Steuer elektrode und der dritten Elektrode erstreckt, ein auf dem Strompfad liegender Widerstand geschaltet. Der Widerstand ist insbesondere der Widerstand, an dem bei Stromfluß durch den Strompfad eine Spannung abfällt, die der Steuerschaltung als Steuergröße zugeschaltet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Erregerspule an einer sich mit einer Zeitperiode ändernden Gleichspannung betrieben, wobei die Gleichspannung am Anfang und Ende der Zeitperiode einen etwa 0 betragenden Minimalwert hat und im Zeitverlauf der Zeitperiode einen Maximalwert erreicht. Ein Strompfad, über den die Erregerspule mit einer Spannungsquelle der Gleichspannung verbunden ist, ist sperrbar und freigebbar. Der Strompfad wird beim Erreichen eines vorgegebenen Strom höchstwertes des Erregerstromes durch die Erregerspule gesperrt und im wesentlichen zu Beginn der nächstfolgenden Zeitperiode wieder freigegeben. Während eines Zeitraumes, in dem die Erre gerspule dauerhaft erregt ist bzw. erregt werden soll, wird das Sperren und Freigeben des Strompfades in jeder Zeitperiode wie derholt. Somit kann derselbe Typ der Erregerspule an sich periodisch ändernden Gleichspannungen mit unterschiedlich hohen Effektivwerten bzw. Spitzenwerten beschrieben werden.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird aus einer Versor gungsspannung, insbesondere einer ein- oder mehrphasigen Wech selspannung eine sekundäre sich im Zeitverlauf ändernde Gleich spannung erzeugt. Bevorzugtermaßen ändert sich die Größe der Gleichspannung periodisch und ist die Zeitkonstante, gebildet durch den Quotienten der Induktivität und des Ohmschen Wider standes der Erregerspule, größer als die Periodendauer. Die Zeitkonstante beträgt vorzugsweise mindestens das Doppelte der Periodendauer.

Bei noch einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Strompfad nach einem Absinken der Versorgungsspannung und/oder dem Absin ken einer davon abhängigen sekundären Spannung, insbesondere nach Beginn eines erneuten Ansteigens, wieder freigegeben.

Bevorzugtermaßen wird eine Spannung zur Erzeugung des Erreger stromes dazu genutzt, den Strompfad wieder freizugeben, wobei die Spannung über einen strombegrenzenden Widerstand an Klemmen eines Schalter gelegt wird, der ein Ventil auf dem Strompfad steuert.

Nachfolgend werden zur Erläuterung der Erfindung Ausführungs beispiele anhand von Abbildungen beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.

Hierbei zeigen;

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbei spiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines zweiten Ausführungsbei spiels,

Fig. 3 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels mit einer Komparatorschaltung,

Fig. 4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels mit einer Thyristor-Schaltung und

Fig. 5 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf einer gleichgerichteten Versorgungsspannung und des Erre gerstromes darstellt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Prinzipschaltbild ist mit der Be zugsziffer 1 ein Wechsel- oder Drehstromnetz bezeichnet, das auf eine Gleichrichtereinheit 2 geführt ist, deren gleichge richtete Ausgangsspannung U_G zum Betrieb der Erregerspule 3 ge nutzt wird. Ein Strompfad 15 für den Erregerstrom verbindet die Ausgangsklemmen der Gleichrichtereinheit 2 miteinander. Im Strompfad 15 befinden sich die Erregerspule 3, ein Ventil 4 und ein Stromsensor 5, alle zueinander in Reihe geschaltet. Eben falls an die Ausgangsklemmen der Gleichrichtereinheit 2 ist die Steuereinheit 6 angekoppelt, durch die das Ventil 4 in Abhän gigkeit einer durch den Stromsensor 5 gelieferten Meßgröße sperrbar ist. Der Erregerspule 3 ist eine Freilaufdiode 7 pa rallelgeschaltet, durch die der Erregerstrom bei abgeschaltetem Ventil 4 aufgrund der Induktivität der Erregerspule 3 fließen kann. Damit können extreme Schaltspitzen vermieden werden. Die so gebildete Schaltungsanordnung 10 wird entweder ohne oder mit der Erregerspule 3 als eine bautechnische Einheit hergestellt.

Im Unterschied zu der Schaltungsanordnung 10 weist die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung 20 zwei weitere Bauelemente auf. Hierbei ist der Erregerspule 3 eine Reihenschaltung, bestehend aus der Freilaufdiode 7 und einem Varistor 8, parallelgeschal tet, wobei wiederum dem Varistor 8 ein Schaltkontakt 9 parallelgeschaltet ist. Zur Verkürzung der Bremseneinfallzeit, d. h. zur schnellen Betätigung einer elektromagnetisch betätig baren, mechanischen Bremse, wird nicht nur das Wechsel- bzw. Drehstromnetz von der Gleichrichtereinheit 2 getrennt, sondern wird zusätzlich die Erregerspule 3 durch den Schaltkontakt 9 direkt abgeschaltet. Zum Schutz des Schaltkontaktes 9 ist diesem der Varistor 8 parallelgeschaltet. Die Einsatzspannung des Varistors 8 ist vorzugsweise so bemessen, daß sie etwas größer als der Scheitelwert der Gleichspannung U_G ist.

Anhand von Fig. 5 wird nun beispielhaft das erfindungsgemäße Verfahren zur Einstellung des Erregerstromes einer Erregerspule beschrieben. Dabei wird weiterhin beispielhaft auf das Prinzip schaltbild von Fig. 1 bezug genommen. Zu einem früheren, in Fig. 5 nicht dargestellten Zeitpunkt wird die Versorgungs spannung eingeschaltet, d. h. an den Ausgangsklemmen der Gleichrichtereinheit 2 liegt ab diesem Zeitpunkt eine sekun däre, sich im Zeitverlauf periodisch ändernde Gleichspannung U_G an.

Zu Beginn der ersten Periode der Gleichspannung U_G versetzt die Steuereinheit 6 das Ventil 4 in einen elektrisch leitenden Zu stand, so daß ein Teil der Gleichspannung U_G, der durch den Innenwiderstand der Erregerspule 3 und die weiteren Widerstände entlang des Strompfades 15 bestimmt ist, an der Erregerspule anliegt. Gedämpft durch die Induktivität der Erregerspule 3 steigt der Erregerstrom I_E mit der Gleichspannung U_G zunächst an. Abhängig von der Dimensionierung der Bauteile der Schaltungsanordnung 10 kann der Erregerstrom I_E auch nach dem Überschreiten des Scheitelpunktes der Gleichspannung U_G noch weiter ansteigen. Spätestens nach dem Ablauf einiger Perioden ist der Erregerstrom I_E so weit angestiegen, daß sein über eine Periode gemittelter Wert etwa konstant bleibt.

Insbesondere, wenn die Zeitkonstante τ_B, gebildet durch den Quotienten der Induktivität und des Ohmschen Widerstandes R_B der Erregerspule 3, wie bevorzugt größer als die Periodendauer ist und wenn der zeitliche Mittelwert der an der Erregerspule 3 anliegenden Spannung größer als das Produkt des Ohmschen Wider standes R_B der Erregerspule 3 und eines vorgegebenen Maximal wertes I_max des Erregerstromes I_E ist, erreicht der Erreger strom I_E den Höchstwert I_max. In dem in Fig. 5 gezeigten Fall tritt dies zum Zeitpunkt t₁ ein. Anhand der von dem Stromsensor 5 übermittelten Meßgröße wird dieses Ereignis von der Steuereinheit 6 festgestellt. Daraufhin schaltet die Steuerein heit 6 das Ventil 4 aus, wodurch der Strompfad 15 gesperrt wird. Der Erregerstrom I_E kommutiert sodann in die Freilauf diode und fällt infolgedessen ab. Dieser Vorgang setzt sich bis zum Beginn der nächstfolgenden Periode der Gleichspannung U_G fort. Anschließend, zum Zeitpunkt t₂, schaltet die Steuerein heit 6 das Ventil 4 wieder ein, so daß der Strompfad 15 freige geben wird und der Erregerstrom I_E wieder ansteigen kann. Der zeitliche Mittelwert des Erregerstromes I_E liegt daher zumin dest geringfügig niedriger als der Höchstwert I_max. Der Zeit punkt t₂ folgt vorzugsweise in möglichst kurzem Abstand auf den Zeitpunkt, zu dem die Gleichspannung U_G ihren Minimalwert (U_Gmin) annimmt.

Ist der Scheitelwert der Gleichspannung U_G kleiner als das Pro dukt des Ohmschen Widerstandes R_B und des Höchstwertes I_max, dann erreicht der Erregerstrom I_E nicht den Höchstwert I_max. Bei bestimmten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es jedoch auch in diesem Fall möglich, daß das Ventil 4 zeitweise gesperrt ist, nämlich innerhalb ei nes kürzen Zeitintervalls, in dem die Gleichspannung U_G annä hernd verschwindet. Dieses Zeitintervall ist aber in der Regel wesentlich kürzer als die Periodendauer der Gleichspannung U_G.

Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsge mäßen Schaltungsanordnung 30 weist eine Steuereinheit 601 mit einer Komparatorschaltung 64 auf. Die Steuereinheit 601 weist weiterhin einen Steuerwiderstand 62 und eine Zenerdiode 63 auf. Die Zenerdiode 63 ist parallel zu der Steuerstrecke eines IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 41 geschaltet und verhin dert so eine unzulässig hohe Spannungsbeanspruchung dieser Steuerstrecke. Andererseits ist die Zenerdiode 63 so bemessen, daß die Steuerstrecke sicher durchgeschaltet werden kann. Als Schaltelement weist die Komparatorschaltung 64 einen Opera tionsverstärker 642 auf, der einen bipolaren Transistor 643 ansteuert, dessen Kollektor mit der einen Klemme der Gleich richtereinheit 2 über den Steuerwiderstand 62 verbunden ist und dessen Emitter mit der anderen Klemme der Gleichrichtereinheit 2 verbunden ist. Der Steuerwiderstand 62 ist so klein bemessen, daß die Steuerstrecke des IGBT 41 schon dann sicher durchge schaltet wird, wenn die Gleichspannung U_G einen kleinen Wert hat, der vorzugsweise mindestens eine Größenordnung kleiner als der Scheitelwert der Gleichspannung U_G ist. Bei einer sich im Zeitverlauf periodisch ändernden Gleichspannung U_G wird daher der IGBT 41 bereits zu Beginn einer Periode in den elektrisch leitenden Zustand versetzt.

Als Steuergröße wird der Steuereinheit 601 die an dem Sensorwi derstand 51 abfallende Steuerspannung U_T zur Verfügung ge stellt. Ein Teil der Steuerspannung U_T wird durch die Kompara torschaltung 64 mit einer durch eine Referenzspannungsquelle 12 erzeugten Referenzspannung verglichen. Die Referenzspannung ist ein Maß für den Höchstwert I_max des Erregerstromes. Erreicht der Erregerstrom I_E den Höchstwert I_max, dann stimmen die Steuerspannung U_T und die Referenzspannung miteinander überein und dann kippt die Komparatorschaltung 64, so daß der bipolare Transistor 643 leitend wird und der IGBT 41 in den elektrisch sperrenden Zustand übergeht. Der Erregerstrom I_E kommutiert so dann in die Freilaufdiode 7. Vorzugsweise ist die Referenzspan nung der Referenzspannungsquelle 12 von außen verstellbar, bei spielsweise durch eine nicht gezeigte Verstelleinrichtung zur Steuerung des Bremsverhaltens.

Ein Hysteresewiderstand 641 zwischen dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 642 und dem Verbindungspunkt zwischen der Erregerspule 3 und dem IGBT 41 verhindert ein Zu rückkippen der Komparatorschaltung 64, so lange die Gleich spannung U_G noch nicht wieder auf einen sehr kleinen Wert abge fallen ist, der vorzugsweise mindestens eine Größenordnung kleiner als der Scheitelwert der Gleichspannung U_G ist.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltungsanordnung 40 übernimmt die Steuereinheit 602 die Ansteuerung des IGBT 41. Der Höchst wert I_max ergibt sich hierbei aus der Dimensionierung der Ele mente der Steuereinheit 602, des IGBT 41 und des Sensorwider standes 51. Der mit einem Thyristor 61 in Reihe zwischen die Anschlußklemmen der Gleichrichtereinheit 2 geschaltete Steuerwiderstand 62 ist so bemessen, daß die Steuerstrecke des IGBT 41 schon dann sicher durchgeschaltet wird, wenn die Gleichspannung U_G erst einen kleinen Wert angenommen hat, wel cher mindestens eine Größenordnung kleiner als der Scheitelwert der Gleichspannung U_G ist. Die der Steuerstrecke des IGBT 41 parallelgeschaltete Zenerdiode 63 ist so bemessen, daß einer seits die Steuerstrecke des IGBT 41 sicher durchgeschaltet wer den kann, andererseits aber eine unzulässig hohe Spannungsbean spruchung dieser Steuerstrecke vermieden wird. Der Wert des Sensorwiderstandes 51 ist so gewählt, daß die an ihm abfallende Spannung U_T der Zündspannung des Thyristors 61 entspricht, wenn durch den Sensorwiderstand 51 ein Strom mit dem Wert des Höchststromes I_max fließt. In diesem Fall zündet der Thyristor 61, d. h. er geht in einen elektrisch leitenden Zustand über, mit der Folge, daß die Anschlüsse der Steuerstrecke des IGBT 41 kurzgeschlossen sind. Folglich sperrt der IGBT 41 den Strompfad 15. Der Thyristor 61 verlöscht erst dann wieder, wenn die Gleichspannung U_G auf den Wert 0 abgefallen ist. Der IGBT 41 wird daher erst wieder etwa zu Beginn eines erneuten Ansteigens der Gleichspannung U_G eingeschaltet, d. h. der Strompfad 15 wird freigegeben.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bzw. auf grund des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nunmehr möglich, denselben Typ einer Erregerspule innerhalb eines großen Berei ches von Versorgungsspannungen zu betreiben. Dadurch steigt die Stückzahl mit der ein bestimmter Typ einer Erregerspule herge stellt wird. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Kosten für Entwicklung, Rohmaterial und Werkzeuge, Fertigungseinrichtun gen, Prüfeinrichtungen, Lagerlogistik sowie Vertriebslogistik aus.

Bezugszeichenliste

1

Wechsel- bzw. Drehstromnetz

2

Gleichrichtereinheit

3

Erregerspule

4

Ventil

41

IGBT

5

Stromsensor

51

Sensorwiderstand

6

Steuereinheit

601

Steuereinheit

602

Steuereinheit

61

Thyristor

62

Steuerwiderstand

63

Zenerdiode

64

Komparatorschaltung

641

Hysteresewiderstand

642

Operationsverstärker

643

bipolarer Transistor

7

Freilaufdiode

8

Varistor

9

Schaltkontakt

10

Schaltungsanordnung

12

Referenzspannungsquelle

15

Strompfad

20

Schaltungsanordnung

30

Schaltungsanordnung

40

Schaltungsanordnung
I_E

Erregerstrom
I_max

Höchstwert des Erregerstromes
R_B

Ohmscher Widerstand der Erregerspule
U_G

Gleichspannung
U_Gmin

Minimalwert der Gleichspannung U_G

U_T

Steuerspannung
τ_B

Zeitkonstante der Erregerspule

Claims

1. Schaltungsanordnung für den Betrieb einer elektromagnetisch betätigbaren, mechanischen Bremse eines Elekromotors, insbesondere eines Getriebemotors, an Stromversorgungen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen, umfassend:
eine Erregerspule (3) zum Betätigen, insbesondere zum Lüften, der Bremse,
einen Gleichspannungskreis mit einer Spannungsquelle (2) zum Erzeugen einer sich mit einer Zeitperiode ändernden Gleichspannung (U_G), die am Anfang und Ende der Zeitperiode einen etwa Null betragenden Minimalwert (U_Gmin) hat und im Zeitverlauf der Zeitperiode einen Maximalwert erreicht,
einen Strompfad (15) für einen Erregerstrom, der von der Spannungsquelle (2) zur Erregerspule (3) und zurück führt,
ein elektronisches Ventil (4, 41) mit Hauptstromelektroden, über die der Strompfad (15) zum Freigeben und Sperren des Strompfads (15) führt, und mit einem Steuereingang zum Ein- und Ausschalten des Ventils (4, 41) und
eine Steuereinheit (6; 601; 602), die mit dem Steuereingang verbunden und derart ausgebildet ist, daß das Ventil (4, 41) zum Freigeben des Strompfads (15) im wesentlichen zum Beginn der Zeitperiode einschaltbar und beim Erreichen ei nes vorgegebenen oder vorgebbaren Stromhöchstwertes (I_max) des Erregerstromes innerhalb der Zeitperiode zum Sperren des Strompfads (15) ausschaltbar ist,
wobei die Steuereinheit (6; 601; 602) so ausgebildet ist, daß während eines Zeitraums, in welchem die Erregerspule (3) dauerhaft erregt ist bzw. erregt werden soll, das Ein- und Ausschalten des Ventils (4, 41) zum Freigeben und Sper ren des Strompfads (15) in jeder Zeitperiode wiederholbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Ventil (4, 41) eine Hauptstromelektrode zur Leitung des Erregerstromes, eine Steuerelektrode zur Leitung eines Steuerstromes und eine dritte Elektrode zur Leitung sowohl des Erregerstromes als auch des Steuerstromes aufweist und in Reihe zu einer Steuerstrecke des Ventils (4, 41), die sich zwischen der Steuerelektrode und der dritten Elektrode erstreckt, ein auf dem Strompfad (15) liegende Stromsensor (5, 51) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ventil (4, 41) ein Schalt-Transistor, vorzugsweise ein IGBT, ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit (6; 601; 602) zur Steuerung des Ven tils (41) einen elektronischen Schalter (61; 643) aufweist, der parallel zu einer Steuerstrecke des Ventils (41) ge schaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei sich das Ventil (41) in einem gesperrten Zustand be findet, wenn der elektronische Schalter (61, 643) einge schaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, wobei der Schalter (61) ein Thyristor ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, wobei der Schalter (643) ein von einem Operationsverstärker (642) angesteuerter Transistor (643) ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Steuereinheit (6; 601; 602) eine Spannung (U_T), die an dem Stromsensor (5, 51) abfällt, als Steuergröße zugeschaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuereinheit (601) eine Komparatorschaltung (64) aufweist, die an eine Referenzspannungsquelle (12) ange schlossen ist, mit einer, vorzugsweise veränderbaren, Refe renzspannung, die ein Maß für den Höchstwert (I_max) des Er regerstromes ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Gleichrichtereinheit (2) zur Erzeugung der sich periodisch ändernden Gleichspannung (U_G) mit einem Mi nimalwert (U_Gmin) an eine ein- oder mehrphasige Wechsel spannungsquelle (1) angeschlossen ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, wobei eine Ausgangsklemme der Gleichrichtereinheit (2) über einen Steuerwiderstand (62) mit dem Steueranschluß des Ventils (41) verbunden ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei parallel zu einer Steuerstrecke des Ventils (41) ein spannungsbegrenzender Zweipol (63), vorzugsweise eine Zenerdiode, geschaltet ist.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Stromsensor (5, 51) zur Feststellung des Erreichens des Stromhöchstwertes (I_max) derart in dem Strompfad (15) angeordnet ist, daß der Stromsensor (5, 51) bei gesperrtem Strompfad (15) stromlos ist.

14. Verfahren zum Betreiben einer elektromagnetisch betätig baren, mechanischen Bremse eines Elektromotors, insbeson dere eines Getriebemotors, an Stromversorgungen mit unter schiedlichen Betriebsspannungen, mit einer Erregerspule (3) zum Betätigen, insbesondere zum Lüften der Bremse, wobei
die Erregerspule (3) an einer sich mit einer Zeitpe riode ändernden Gleichspannung (U_G) betrieben wird, wobei die Gleichspannung (U_G) am Anfang und Ende der Zeitperiode einen etwa Null betragenden Minimalwert (U_Gmin) hat und im Zeitverlauf der Zeitperiode einen Maximalwert erreicht,
ein Strompfad (15), über den die Erregerspule (3) mit einer Spannungsquelle (2) der Gleichspannung (U_G) verbunden ist, sperrbar und freigebbar ist,
der Strompfad (15) beim Erreichen eines vorgegebenen Stromhöchstwertes (I_max) des Erregerstromes durch die Erregerspule (3) gesperrt wird und im wesentlichen zu Beginn der nächstfolgenden Zeitperiode wieder freigegeben wird und
während eines Zeitraumes, in dem die Erregerspule (3) dauerhaft erregt ist bzw. erregt werden soll, das Sperren und Freigeben des Strompfades (15) in jeder Zeitperiode wiederholt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Sperrung des Strompfades (15) bei Übereinstimmung einer von dem Erregerstrom abhängigen Spannung (U_T) mit einer Referenzspannung ausgelöst wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei die Gleichspannung (U_G) aus einer sich periodisch mit doppelter Periodendauer ändernden Wechselspannung erzeugt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei eine Zeitkonstante (Þ_B), gebildet durch den Quotienten aus Induktivität und ohmschen Widerstand der Erregerspule (3), größer als die Periodendauer der Gleichspannung (U_G) ist und vorzugsweise mindestens das Doppelte der Periodendauer beträgt.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Strompfad (15) nach einem Absinken der Gleich spannung (U_G) auf ihren Minimalwert (U_Gmin) und etwa zu Beginn eines erneuten Ansteigens der Gleichspannung (U_G), wieder freigegeben wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der Stromhöchstwert (I_max) unabhängig von der Betriebsspannung der Stromversorgung vorgegeben wird.