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Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren zum Überwachen der Temperatur und anderer Charakteristika der Wicklungsleitungen eines EC-Motors.
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Im Stand der Technik sind Schaltungen zum thermischen Schutz und zur Leistungsregelung in Abhängigkeit von einer aktuellen Wicklungstemperatur von Strangwicklungen eines Elektromotors bekannt. Herkömmliche Schaltungen umfassen einerseits einen die Wicklungstemperatur der Strangwicklungen messenden Temperaturwächter-Schalter, der bei Erreichen einer bestimmten Wicklungstemperatur, der Schalttemperatur, ein Abschalten eines durch die Wicklungen fließenden Wicklungsstromes bewirkt, sowie einen den Strangwicklungen zugeordneten temperaturabhängigen Widerstand, der bei Erreichen einer bestimmten Wicklungstemperatur durch eine erfolgte Widerstandserhöhung z. B. eine Leistungsminderung der Motorleistung bewirkt.
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Aus den Druckschriften
DE 10 2013 107 819 A1 ,
EP 1 303 021 A2 und
EP 2184830 A1 sind zum Beispiel bekannte Schaltung zum thermischen Schutz und zur Leistungsregelung in Abhängigkeit von einer aktuellen Wicklungstemperatur von Strangwicklungen eines Elektromotors bekannt.
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Der Schutz eines dreisträngigen Elektromotors vor thermischer Überlastung wird bekannterweise durch drei Temperaturwächter-Schalter bewerkstelligt.
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Die Temperatur jedes Motorstranges wird mit einem eigenen Temperaturwächter abgetastet, um auch unsymmetrische Temperaturerhöhungen, z. B. durch einen Wicklungsisolationsschaden erfassen zu können. Die drei Temperaturwächter-Schalter werden in Reihe geschaltet. Bei Überschreitung der Schalttemperatur eines der Temperaturwächter-Schalter öffnet dieser. Die Unterbrechung wird in einer Auswertelektronik erkannt und die für das jeweilige Schutzkonzept notwendige Aktion ausgelöst.
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Auf Grund der Annahme, dass bei ordnungsgemäßer Funktion des Motors die Temperaturen in den drei Wicklungssträngen ungefähr gleich sind, wird typischerweise nur ein temperaturabhängiger Widerstand eingesetzt, um den Aufwand zu reduzieren. Um die Reihenschaltung der drei Temperaturwächter-Schalter durch eine Auswertelektronik auswerten zu können, werden zwei Verbindungen in die Signalelektronik benötigt. Ebenso werden für die Auswertung des temperaturabhängigen Widerstandes durch die Auswertelektronik zwei Verbindungen zur Elektronik benötigt. Also sind insgesamt vier Verbindungen zwischen dem Elektromotor und der Auswertelektronik erforderlich. Hieraus ergibt sich ein erhöhter Schaltungs- und Bauteilaufwand.
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In herkömmlichen Motorschaltungen wird demnach zur Wicklungstemperaturbegrenzung entweder ein unmittelbar in die Motorwicklung eingebrachter Temperaturwächter/-schalter (Digital) oder Temperatursensor (Analog) eingesetzt. Dieser wird üblicherweise mit zwei zusätzlich zu den drei Wicklungsanschlüssen aus dem Motor herausgeführten Verbindungselementen (Kontakte, Leitungen) kontaktiert.
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Ein digital wirkender Temperaturwächter/-schalter kann auch direkt in Serie zu den Wicklungssträngen in den Leistungspfad integriert werden. In ersterem Fall wird das Öffnen des Temperaturwächters bei Motorübertemperatur oder das Überschreiten einer Grenztemperatur des analogen Sensors durch die Elektronik detektiert und dadurch der Motorstrom unterbrochen. Dies hat unter anderem den Nachteil, dass zur Detektion zwei zusätzliche Verbindungselemente zwischen Motor und Elektronik, sowie eine zusätzliche Auswerteschaltung in der Elektronik benötigt werden.
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Im zweiten Fall erfolgt die direkte Abschaltung bei Übertemperatur durch die direkte Abtrennung der Wicklungsstränge von der Elektronik mittels des Temperaturwächters selbst. Diese Lösung benötigt zwar keine zusätzlichen Leitungen, jedoch muss der Temperaturwächter für das sichere Abschalten des gesamten Motorstromes (auch bei Überstrom) ausgelegt sein. Ferner besteht ein Nachteil darin, dass der Wächter während des Normalbetriebs den gesamten Motorstrom führen muss.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine verbesserte Schaltung sowie ein Verfahren bereitzustellen mit dem auf einfache und zuverlässige Weise die Überwachung der Wicklungsleitungen und insbesondere der Temperatur möglich ist, ohne dass zusätzliche Leitungen und/oder Schaltelemente in den Wicklungsleitungen benötigt werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 und Patentanspruch 8 gelöst.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass zur Erfassung der Motortemperatur und Übermittlung der Temperatur zur Elektronik die drei vorhandenen Wicklungsanschlüsse der Maschine genutzt werden. Als Detektionsmechanismus zur Erfassung der Temperatur oder anderer Charakteristika von Strangwicklungen soll ferner eine Überstromerkennung bzw. Stromerfassungseinrichtung genutzt werden. Da in EC-Motoren und deren Umrichtern bzw. deren Kommutierungselektronik eine solche Stromerfassungseinrichtung üblicherweise vorhanden ist, bietet es sich an, diese in das erfinderische Konzept mit einzubeziehen. Die Temperaturüberwachung bzw. Überwachung der Charakteristika von Strangwicklungen wird mittels einer Antwortfunktion als Antwort auf ein spezifisches Messsignal (anregendes Signal) erhalten.
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Erfindungsgemäß wird demnach eine elektronische Schaltung zur Erfassung der aktuellen Wicklungstemperatur von Strangwicklungen und/oder anderen Charakteristika eines elektronisch kommutierten Elektromotors, der an einem Frequenzumrichter angeschlossen oder anschließbar ist vorgeschlagen, umfassend ein oder mehrere kapazitive Zweipole mit einer von der Temperatur abhängigen Impedanz, die jeweils parallel zu zwei Wicklungsanschlüssen der Strangwicklungen angeordnet sind sowie einen Detektor oder Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen der Stromantworten in den Strangwicklungen aufgrund von steilflankigen Spannungsänderungen des Frequenzumrichters.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Stromerfassungseinrichtung eine Stromerfassungseinrichtung des Umrichters oder einer Motorsteuerung verwendet wird, an den/die der Motor angeschlossen ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner eine Signal-Auswerteeinrichtung, die mit dem Detektor verbunden ist, vorgesehen.
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Erfindungsgemäß werden die kapazitiven Zweipole zwischen die jeweils zu überwachende Strangwicklungen angebracht. Steilflankige Spannungsänderungen erzeugen an kapazitiven Elementen pulsfrequente Stromspitzen, welche durch die Stromerfassungseinrichtung auf der Elektronik erfasst werden können. Erfindungsgemäß wird daher als anregendes Signal die zur Regelung des Motors im Umrichter eingesetzte getaktete Arbeitsweise (wie z. B. Pulsweitenmodulation) mit deren steilflankigen Spannungshüben an den Motorklemmen genutzt. Aus der Antwortfunktion in der Stromerfassungseinrichtung können mittels einer Signal-Analyse unmittelbar Rückschlüsse auf die Charakteristika der Strangwicklungen geschlossen werden, somit auch auf deren Temperatur. Weiter vorteilhaft ist es, wenn z. B. Soll-Referenzkurven für die Stromantwortfunktionen für einen zulässigen Soll-Bereich einer zu erfassenden Charakteristika, wie z. B. der Temperatur hinterlegt sind, so dass durch einen manuellen oder besser einen automatisierten Abgleich zwischen aktuellen Ist-Daten der Antwortfunktion und Soil-Daten erfasst werden kann, ob ein normaler Motorbetrieb vorliegt und z. B. die Motortemperatur im Normalbereich unterhalb eines Grenzwertes liegt.
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Auf die oben beschriebene Weise wird die Frequenzanregung vom Umrichter zur Informationsauswertung genutzt. Erfindungsgemäß kann somit zur Detektion der Motorübertemperatur bzw. der Charakteristika der Strangwicklungen auf zusätzliche Schaltungsteile im Umrichter bzw. der Elektronik verzichtet werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn je ein Zweipol parallel zu zwei Wicklungsanschlüssen der Motorwicklungen platziert wird, wobei der Zweipol als ein Zweipol mit einer von der Temperatur abhängigen Impedanz ausgebildet ist.
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Auf diese Weise kann die Motortemperatur indirekt über die, durch die Pulsweitenmodulation des Umrichters angeregten puls-, bzw. hochfrequenten Stromantworten erfasst werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass aus der Antwortfunktion in der Stromerfassungseinrichtung mittels einer Signal-Analyse einer Signal-Auswerteeinrichtung die Temperatur der Strangwicklungen oder anderer Charakteristika des Motors ermittelt werden.
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Hierbei können z. B. die Amplitude, Phase oder Form entweder digital (Übertemperatur ja/nein) oder analog mit entsprechender Information über den Temperaturwert ausgewertet werden. Auch ist eine Übertragung von weiteren Information als Charakteristika des Motors (z. B. mehrere Temperaturen, Drehzahlen, Parameter und dergleichen) durch die gezielte Modulation der Impedanz des Zweipols mittels einer aktiven Schaltung sowohl analog als auch digital (z. B. als serieller Datenstrom) möglich.
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Bevorzugt wird daher eine aktive Schaltung zur Modulation der Impedanz der Zweipole vorgesehen, um aus entweder der Amplitude, der Phase oder der Form der entsprechenden Antwortfunktion die zu ermittelnde Charakteristika des Motors oder die Temperatur der Strangwicklungen zu erhalten.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der aktuellen Wicklungstemperatur und/oder anderen Charakteristika eines elektronisch kommutierten Elektromotors unter Verwendung einer wie zuvor beschriebenen elektronischen Schaltung mit den folgenden Schritten:
- – Betreiben eines Motors an einem Frequenzumrichter und
- – Erfassen der Stromantworten in den Strangwicklungen aufgrund der steilflankigen Spannungsänderungen am Ausgang des Frequenzumrichters mittels des Detektors der Schaltung als Antwortsignal auf ein anregendes Signal.
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Das Verfahren kann mit Vorteil weiter charakterisiert sein, dadurch dass als anregendes Signal die zur Regelung des Motors im Umrichter eingesetzte getaktete Arbeitsweise (wie z. B. Pulsweitenmodulation) mit deren steilflankigen Spannungshüben an den Motorklemmen genutzt wird.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung
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2a–f Ausführungsbeispiele von Zweipolen mit variabler Impedanz,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zweipols mit gezielt steuerbarer Impedanz,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Parameterabhängigkeit und
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5 Stromantwort im Summenstrom, gemessen am Zwischenkreis-Shuntwiderstand Rs und in den Motorphasenströmen, gemessen an den Messpunkten 30u, 30v und 30w.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 bis 5 näher beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hinweisen.
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung 1 mit drei auf der Motorseite eingebundenen Zweipolen zur Temperaturerfassung. Diese elektronische Schaltung 1 dient der Erfassung der aktuellen Wicklungstemperatur der Strangwicklungen 10 des elektronisch kommutierten Elektromotors 2, der über einen schematisch dargestellten Frequenzumrichter 3 an ein Zwischenkreispotential angeschlossen ist. Gezeigt sind drei kapazitive Zweipole 6 mit einer von der Temperatur abhängigen Impedanz, die jeweils parallel zu zwei Wicklungsanschlüssen 8u, 8v, 8w der Strangwicklungen 10 angeordnet sind. Ferner ist ein Detektor 20 und zwar eine Stromerfassungseinrichtung 20 zum Erfassen der Stromantworten in den Motorzuleitungen 30 aufgrund von steilflankigen Spannungsänderungen am Ausgang des Frequenzumrichters 3 vorgesehen.
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In dieser Ausführung kann die Erfassung der hochfrequenten Stromantworten direkt über ein oder mehrere Motorstrangströme und/oder ein bis drei, in die Verbindung der Lowside-Schalter zum negativen Zwischenkreisanschluss Uzk– geschaltete, vorzugsweise niederohmigen Shuntwiderstände Rs erfolgen.
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Ferner ist eine Signal-Auswerteeinrichtung 5 mit der Stromerfassungseinrichtung 20 verbunden. Durch die Analyse der Stromantworten kann die Wicklungstemperatur oder allgemein eine auf die Impedanz modulierte Information aus den Stromantworten zurückgewonnen werden.
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In den 2a–2f sind alternative Ausführungen der in 1 dargestellten Zweipole 6 mit variabler Impedanz gezeigt. Dabei sind auch beliebige Kombinationsformen der dargestellten Varianten der Zweipole 6, wie in der
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3 schematisch dargestellt, möglich. Je nach Charakteristik der Zweipole 6, ändern sich die Form, Amplitude oder der Verlauf der Stromantwortfunktionen, so dass diese abhängig von den konkret verwendeten Zweipolen 6 mittels der Signal-Auswerteeinrichtung 5 entsprechend der passenden Analyse bzw. Referenz auszuwählen sind.
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Die 4 stellt eine ganz allgemeine Ausführung eines Zweipols dar, welche eine gezielter Steuerung bzw. Parameterabhängigkeit der Impedanz aufweist. Die Parameterabhängigkeit der Impedanz, wie z. B. eine Impedanzabhängigkeit von der Temperatur der Strangwicklungen kann unmittelbar zur Ermittlung der Temperatur aus den Antwortfunktionen mit geeigneten Analysen extrahiert werden
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In der 5 sind beispielhaft die Stromantworten im Summenstrom, gemessen am Zwischenkreis-Shuntwiderstand Rs (oben) und in den Motorphasenströmen, gemessen an den Messpunkten 30u, 30v und 30w (unten) dargestellt. Die darin jeweils enthaltenen Strompeaks werden analysiert und geben die Information über die Wicklungstemperatur oder andere Charakteristika des Motors. Die Information kann z. B. durch Analyse der Amplitude oder Form, der auf den Betriebsstrom des Motors modulierten Strompeaks gewonnen werden. Im einfachsten Fall kann dies ein Überstromdetektor (Komparator) sein, der das Auftreten der in ihrer Amplitude den Betriebsstrom wesentlich überschreitenden Peaks detektiert und somit eine Überhitzung der Wicklung signalisiert und eine Abschaltung auslöst.
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Dabei zeigen die Kurven (a) die jeweilige Stromantwort (Strompeaks) bedingt durch den kapazitiven Zweipol 6 zwischen den Klemmen 8u und 8v. Die Kurve (b) zeigt den Summenstrom am Shunt-Widerstand Rs, wobei das Diagramm 2 Perioden der PWM-Modulation des Frequenzumrichters.
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Die untere durchgezogene Kurve (c) repräsentiert den Phasenstrom am Messpunkt 30u. Die untere gepunktete Kurve (d) repräsentiert den Phasenstrom am Messpunkt 30v und die untere gestrichelte Kurve (e) repräsentiert den Phasenstrom am Messpunkt 30w.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013107819 A1 [0003]
- EP 1303021 A2 [0003]
- EP 2184830 A1 [0003]
