DE19939997A1 - Vorrichtung zur Überwachung eines Elektromotors auf thermische Überlastung - Google Patents
Vorrichtung zur Überwachung eines Elektromotors auf thermische ÜberlastungInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Überwachung eines Elektromotors auf thermische Überlastung vorgeschlagen. Eine Signalverarbeitung (16) erzeugt in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal (T mi ) eines in der Nähe des Elektromotors (12) angeordneten Temperatursensors (10) ein korrigiertes Temperatursignal (T ki ), das zur Überwachung des Elektromotors (12) auf thermische Überlastung herangezogen wird. Die Signalverarbeitung (16) erzeugt das korrigierte Temperatursignal (T ki ) außerdem in Abhängigkeit von einem in der Vergangenheit liegenden Ausgangssignal (T mi-1 , T mi-2 ) des Temperatursensors (10).
Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Überwachung
eines Elektromotors auf thermische Überlastung nach der
Gattung des unabhängigen Anspruchs. Aus der WO 93/23904 ist
bereits ein Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors
auf thermische Überlastung bekannt, bei dem die
Überschreitung einer zulässigen Temperaturgrenze anhand der
errechneten Verlustleistung bestimmt wird. Die
Verlustleistung oder eine hierzu proportionale Größe wird
anhand gemessener Motordaten wie Drehzahl und
Klemmenspannung berechnet und dann integriert. Der
Integrationswert wird mit einem vorgegebenen Schwellenwert
verglichen und bei Erreichen oder Überschreiten des
Schwellenwerts das Motorabschaltsignal generiert. Auf einen
Temperatursensor kann hierbei verzichtet werden. Dies trägt
jedoch unter Umständen zu Ungenauigkeiten bei, die sich
insbesondere bei dynamischen Belastungsfällen bemerkbar
machen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den thermischen
Überlastschutz zu verbessern, insbesondere was das
Zeitverhalten betrifft. Die Aufgabe wird durch die Merkmale
des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines
Elektromotors auf thermische Überlastung weist einen
Temperatursensor auf, der in der Nähe des Elektromotors
angeordnet ist. Es ist eine Signalverarbeitung vorgesehen,
die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal und von zumindest
einem in der Vergangenheit liegenden Ausgangssignal des
Temperatursensors ein korrigiertes Temperatursignal erzeugt,
das zur Überwachung des Elektromotors auf thermische
Überlastung herangezogen wird. Mit Hilfe der
Signalverarbeitung können die thermischen Konstanten des
Gesamtsystems Elektromotor - Temperatursensor kompensiert
werden. Das korrigierte Temperatursignal nähert sich der
tatsächlichen Temperatur in der Motorwicklung an. Das
korrigierte Temperatursignal ist somit eine verläßlichere
Überwachungsgröße als das Ausgangssignal des
Temperatursensors. Die Überlastung wird rechtzeitig erkannt,
so daß frühzeitig entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet
werden können. Insbesondere die Temperaturdifferenz und/oder
die Temperaturkrümmung gehen in das korrigierte
Temperatursignal ein. Dadurch werden Änderungstendenzen
berücksichtigt. Bei einer digitalen Realisierung kann auf
einen Algorithmus zurückgegriffen werden, der sich durch
geringe Rechenzeit auszeichnet.
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, daß die
Signalverarbeitung das korrigierte Temperatursignal in
Abhängigkeit von mindestens einem den Temperatursensor
beschreibenden Streckenparameter bereitstellt. Das
zeitverzögernde Übertragungsverhalten eines
Temperatursensors wird dadurch kompensiert.
Zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren
abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen die Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau der
Vorrichtung zur Überwachung eines Elektromotors auf
thermische Überlastung, die Fig. 2 einen möglichen Aufbau
der Signalverarbeitung, die Fig. 3a sich ohne Korrektur und
die Fig. 3b sich mit Korrektur einstellende zeitabhängige
Temperaturverläufe.
Ein Temperatursensor 10 erfaßt die Temperatur eines
Elektromotors 12. Das Ausgangssignal des Temperatursensors
10 wird als Meßtemperatur Tmi von einer Signalverarbeitung
16 zu einem korrigierten Temperatursignal Tki
weiterverarbeitet. Ein Komparator 18 vergleicht das
korrigierte Temperatursignal Tki mit einem Grenzwert G und
steuert eine Schalteinheit 14 an. Die Schalteinheit 14
beeinflußt die Bestromung des Elektromotors 12.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 gelangt die
Meßtemperatur Tmi des Temperatursensors 10 an einen ersten
Summierer 21, an einen vierten Summierer 24 und an den
Eingang eines ersten Verzögerungsgliedes 26. Die
Ausgangsgröße des ersten Verzögerungsgliedes 26 wird mit
negativem Vorzeichen dem ersten Summierer 21 zugeführt. Das
erste Verzögerungsglied 26 und der erste Summierer 21 bilden
einen ersten Differenzierer 25. Die Ausgangsgröße des ersten
Summierers 21 dient einem zweiten Verzögerungsglied 28,
einem zweiten Summierer 22 und einem dritten Summierer 23
als Eingangsgröße. Das Ausgangssignal des zweiten
Verzögerungsglieds 28 wird mit negativem Vorzeichen dem
zweiten Summierer 22 zugeführt. Das zweite Verzögerungsglied
28 und der zweite Summierer 22 bilden einen zweiten
Differenzierer 27. Das Ausgangssignal des zweiten Summierers
22 wird in dem dritten Summierer 23 mit dem Ausgangssignal
des ersten Summierers 21 addiert. Das Ausgangssignal des
dritten Summierers 23 wird mit einer Konstante 30
multipliziert und dem vierten Summierer 24 zugeführt. Als
Ausgangsgröße des vierten Summierers 24 steht das
korrigierte Temperatursignal Tki am Ausgang der
Signalverarbeitung 16 zur Verfügung.
Bei einem Verfahren ohne Korrektur der Meßtemperatur Tmi des
Temperatursensors 10 stellen sich die in der Fig. 3a
gezeigten zeitlichen Temperaturverläufe ein. Der
Temperatursenor 10 erfaßt die tatsächliche Motortemperatur
32 nur mit einem gewissen Fehler. Erreicht die Meßtemperatur
Tmi des Temperatursensors 10 den Grenzwert G, erfolgt die
Abschaltung des Elektromotors 12. Die Motortemperatur 32 ist
zum Abschaltzeitpunkt ta in Folge der Verzögerung
beziehungsweise Trägheit des Temperatursensors 10 deutlich
überhöht. Die Trägheit des Temperatursensors macht sich in
einem weiteren Anstieg der Meßtemperatur Tmi - trotz
Abschaltung - nach dem Abschaltzeitpunkt ta bemerkbar.
Bei der erfindungsgemäßen Korrektur hingegen nähert sich der
zeitabhängige Temperaturverlauf des korrigierten
Temperatursignals Tki (gestrichelt gezeichnet) sehr stark an
die tatsächliche Motortemperatur 32 an. Die Meßtemperatur
Tmi liegt deutlich unter den beiden Kurven. Zum
Abschaltzeitpunkt ta erreicht das korrigierte
Temperatursignal Tki den Grenzwert G und bewirkt damit eine
Abschaltung des Elektromotors 12.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung stellt den thermischen
Überlastschutz von Motorwicklungen des Elektromotors 12
sicher. Als Temperatursensor 10 dient ein NTC-Glied, das je
nach Bauart des Elektromotors 12 in unmittelbarer Nähe der
Motorwicklung angeordnet ist. Das NTC-Glied weist im
wesentlichen ein PT2-Verhalten auf. Dieses ist jedoch zu
träge, um zuverlässig die tatsächliche Motortemperatur 32
anzuzeigen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das von der
Signalverarbeitung 16 korrigierte Temperatursignal Tki
beispielsweise in einem Komparator 18 auszuwerten.
Überschreitet das korrigierte Temperatursignal Tki den
Grenzwert G, gibt der Komparator 18 ein Schaltsignal für die
Schalteinheit 14 ab. Die Schalteinheit 14 unterbricht
beispielsweise die Energieversorgung des Elektromotors 12,
damit eine weitere Erhitzung der Motorwicklungen vermieden
wird und es zu keiner Zerstörung des Elektromotors 12 kommt.
Das analoge Ausgangssignal des Temperatursensors 10 wandelt
ein nicht näher gezeigter A/D-Wandler in eine zeitdiskrete
Meßtemperatur Tmi um. Der Index i bezeichnet den aktuellen
Abtastzeitpunkt, der Index i-1 den unmittelbar
vorangegangenen Abtastzeitpunkt etc. der Meßtemperatur Tmi
und des korrigierten Temperatursignals Tki.
Die Signalverarbeitung 16 erzeugt ein korrigiertes
Temperatursignal Tki, welches im wesentlichen den in Fig.
3b gezeigten Verlauf besitzt. Der Elektromotor 12 wurde mit
dem Maximalstrom beaufschlagt, der den Verlauf der
tatsächlichen Motortemperatur 32 zur Folge hatte. Das
korrigierte Temperatursignal Tki entspricht ungefähr der
tatsächlichen Motortemperatur 32. Erreicht das korrigierte
Temperatursignal Tki den Grenzwert G, unterbricht die
Schalteinheit 14 sofort den Motorstrom. Da das korrigierte
Temperatursignal Tki der wahren Motortemperatur 32
entspricht, ist sichergestellt, daß ein Überschreiten der
maximal zulässigen Höchsttemperatur des Elektromotors 12
verhindert wird.
In Fig. 2 ist eine mögliche Realisierung der
Signalerfassung 16 näher dargestellt. In das korrigierte
Temperatursignal Tki geht die Meßtemperatur Tmi in vollem
Umfang ein. Die Trägheit des Temperatursensors 10 wird
jedoch durch einen zusätzlichen Anteil kompensiert, der, mit
der Konstante 30 multipliziert, dem vierten Summierer 24
zugeführt wird. In diesem zweiten Zweig gehen die
Temperaturdifferenz, gebildet aus dem ersten Differenzierer
25, enthaltend erstes Verzögerungsglied 26 und ersten
Summierer 21, und die Temperaturkrümmung als Ableitung der
Temperaturdifferenz, gebildet von dem zweiten Differenzierer
27, bestehend aus zweitem Verzögerungsglied 28 und zweitem
Summierer 22, ein. Die Verzögerungsglieder 26, 28 stellen
zum Zeitpunkt i jeweils den Eingangswert zum Zeitpunkt i-1
zur Verfügung und dienen damit als Zwischenspeicher.
Aus dem in Fig. 2 dargestellten Korrekturnetzwerk läßt sich
die Übertragungsfunktion ermitteln, die über die Z-
Transformation in eine entsprechende Differenzengleichung
überführt werden kann. Das aktuelle korrigierte
Temperatursignal Tki greift bei einer zeitdiskreten
Realisierung auf zwei in der Vergangenheit liegende
Meßtemperatursignale Tmi-1, Tmi-2 sowie auf die aktuelle
Meßtemperatur Tmi zurück. Die zugehörige
Differenzengleichung mit K als Konstante 30 lautet:
Tki = Tmi + K . (2Tmi - 3Tmi-1 + Tmi-2)
Die Konstante 30 wird nun so gewählt, daß sich ein für die
Überwachungsfunktion geeigneter Verlauf einstellt. Hierbei
wird die Konstante 30 vorzugsweise so festgelegt, daß das
korrigierte Temperatursignal Tki der tatsächlichen
Motortemperatur 32 entspricht.
Das in der Signalverarbeitung 16 realisierte
Korrekturnetzwerk muß an das jeweilige Übertragungsverhalten
des verwendeten Temperatursensors 10 angepaßt werden. Bei
einem PT2-Verhalten sind vorzugsweise zwei Differenzierer
beziehungsweise zwei Verzögerungsglieder zu verwenden. Bei
einem Übertragungsverhalten n-ter Ordnung wären entsprechend
n Differenzierer vorzusehen.
Die Signalerfassung 16 könnte auch in Analogtechnik
realisiert werden. Eine A/D-Wandlung der Meßtemperatur des
Temperatursensors 10 wäre dann nicht notwendig. Das
Ausgangssignal des ersten beziehungsweise zweiten
Summiereres 21, 22 wird jeweils über einen Differenzierer
gebildet. An der grundsätzlichen Funktionsweise ändert sich
jedoch nichts.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur Überwachung eines Elektromotors auf
thermische Überlastung, mit einer Signalverarbeitung
(16), die in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal (Tmi)
eines in der Nähe des Elektromotors (12) angeordneten
Temperatursensors (10) ein korrigiertes Temperatursignal
(Tki) erzeugt, das zur Überwachung des Elektromotors (12)
auf thermische Überlastung herangezogen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung (16) das
korrigierte Temperatursignal (Tki) in Abhängigkeit von
einem in der Vergangenheit liegenden Ausgangssignal (Tmi-
1, Tmi-2) des Temperatursensors (10) erzeugt.
2. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung (16)
das korrigierte Temperatursignal (Tki) in Abhängigkeit
von zumindest einem den Temperatursensor (10)
beschreibenden Streckenparameter bereitstellt.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der
Temperaturänderung der Meßtemperatur (Tmi) des
Temperatursensors (10) das korrigierte Temperatursignal
(Tki) erzeugt wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der
Temperaturkrümmung der Meßtemperatur (Tmi) des
Temperatursensors (10) das korrigierte Temperatursignal
(Tki) erzeugt wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierte
Temperatursignal (Tki) abhängt von einem durch Summation
gebildeten Signal, das durch Summation von einem von der
Temperaturänderung der Meßtemperatur (Tmi) des
Temperatursensors (10) abhängenden Signal mit einem von
der Meßtemperatur (Tmi) abhängenden Signal gebildet wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Temperatursensor (10) ein
Kaltleiter verwendet wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (10) in
der Nähe zumindest einer Motorwicklung des Elektromotors
(12) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (18)
vorgesehen ist, der das korrigierte Temperatursignal
(Tki) mit einem Grenzwert (G) vergleicht.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteinheit (14), die
die Energiezufuhr zu dem Elektromotor (12) beeinflußt, in
Abhängigkeit von dem korrigierten Temperatursignal (Tki)
angesteuert wird.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr zu dem
Elektromotor (12) unterbrochen wird, wenn das korrigierte
Temperatursignal (Tki) den Grenzwert (G) erreicht oder
übersteigt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung (16)
das korrigierte Temperatursignal (Tki) in Abhängigkeit
von dem Übertragungsverhalten des Temperatursensors (10)
bereitstellt.
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