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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung der Wicklungsgrenztemperatur eines elektrischen Antriebes, insbesondere eines Gleichstrommotors für Ventilatoren zum Schutz vor thermischer Überlastung.
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In elektrischen Antrieben und Motoren ist es nahezu unvermeidlich, dass im Motor Wärmeverluste auftreten, die zu einer Temperaturerhöhung führen. Für den Elektromotor gibt es demzufolge eine obere Grenztemperatur, und sobald diese überschritten wird, kann der Motor beschädigt werden oder ausfallen z. B. aufgrund eines Isolationsversagens der Wicklung. Die obere Grenztemperatur ist dabei unter anderem von der Isolierstoffklasse der Wicklung abhängig. Die Isolierstoffklassen und höchstzulässige dauerhafte Grenztemperaturen bestimmen sich unter anderem nach der DIN 0530 Teil 1, wobei die maximale Grenztemperatur gemäß DIN EN 61558 für die unterschiedlichen Isolierstoffklassen festgelegt sind.
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Es kann infolge von Betriebsstörungen an einer Antriebseinheit oder auch am Elektromotor selbst, zu einer unzulässig hohen Temperatur im Elektromotor kommen. Solche Fälle treten bei vorgesehenen hohen Belastungen der Maschine auf, wie bei Schwergängigkeiten oder z. B. bei Blockade der Mechanik. Auch verschmutzte Belüftungsgitter am Elektromotor können unerwünschte Temperaturerhöhungen nach sich ziehen. Überschreitet die Wicklung des Motors die zulässige Temperatur, nimmt der Elektromotor Schaden, was den Ausfall der gesamten Maschine nach sich ziehen kann. Zum Schutz des Elektromotors vor Überhitzung ist deshalb die Ermittlung der Wicklungstemperatur erforderlich.
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Darüber hinaus ist man bei der Auslegung des Motors gezwungen, einen Kompromiss zwischen Baugröße und Lastmoment einzugehen. Insbesondere dann, wenn der Motor praktisch dauerhaft unterhalb seines Nennmomentes betrieben wird und nur kurzzeitige Lastspitzen oberhalb auftreten, ist es wirtschaftlich sinnvoll, den Motor nicht auf die Lastspitzen, sondern auf den zu erwartenden Mittelwert zuzüglich Sicherheitsreserve auszulegen. Um eine unnötige Überdimensionierung zu vermeiden, ist es auch aus diesem Grund erforderlich, die Motortemperatur zu ermitteln oder jedenfalls die obere Grenztemperatur zu überwachen. So werden derzeit Lösungen im Stand der Technik vorgesehen, welche z. B. die Messung der Wicklungstemperatur vorsehen und eine Abschaltvorrichtung aufweisen, die bei Überschreiten der Grenztemperatur auslöst. Eine andere bekannte Herangehensweise sieht vor, dass der Wicklungsstrom in Abhängigkeit der Motordrehzahl begrenzt wird. Die Temperaturerhöhung von Wicklungen bei Motoren wird durch den Motoraufbau deren Wicklungsimpedanz und den Wicklungsstrom bestimmt. Bei einem bekannten Typen-Motor mit bekannter Wicklungsimpedanz kann die Temperaturerhöhung der Wicklung in Abhängigkeit des Wicklungsstromes bei einer Typprüfung bestimmt werden. Diese ermittelten Stromwerte können dann im Betrieb zum Schutz der Motorwicklung vor thermischer Überlast verwendet werden.
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Aus der Offenlegungsschrift
WO 93/23904 A1 ist z. B. ein Verfahren zur Überwachung eines Elektromotors im Hinblick auf eine thermische Überlastung bekannt, bei dem es darum geht, den technischen Aufwand und das Bauvolumen des notwendigen Überlastungsschutzes des Elektromotors kleinzuhalten. Dazu wird während der Einschaltdauer des Elektromotors dessen Verlustleistung oder eine hierzu proportionale Größe anhand gemessener Motordaten berechnet und anschließend integriert. Der Integrationswert wird mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen, übersteigt der Integrationswert einen Schwellwertgrenzwert, wird der Elektromotor abgeschaltet. Nach diesem bekannten Verfahren bleiben Umgebungseinflüsse, die für das Temperaturverhalten des Elektromotors mitverantwortlich sind, unberücksichtigt. Ein wichtiger Einflussfaktor stellt die Umgebungstemperatur dar, so dass es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Lösung vorzusehen, welche die Umgebungstemperatur berücksichtigt.
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Bei anderen bekannten Verfahren, die versuchen ohne einen Temperaturfühler auszukommen, wird der vom Elektromotor gezogene Strom überwacht. Überschreitet der Motorstrom über einen längeren Zeitraum hinweg den zulässigen Dauerstrom, erfolgt die Abschaltung des Motors über Motorschutzschalter oder bei drehzahlregelbaren Drehstrommotoren über den Frequenzumrichter.
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Weitere bekannte Verfahren zum Schutz eines Elektromotors gegen Überhitzung sehen eine Temperaturmessung mittels eines Temperatursensors vor, der vornehmlich in die Motorwicklung eingebaut wird. So werden bei bekannten Ausführungsformen von Motoren mit umpressten Statoren z. B. Thermoschalter vor dem Umpressvorgang in die Wicklung eingesetzt und die Anschlusslitzen mit einer Leiterplatte verbunden. Erreicht die auf diese Weise ermittelte Temperatur im Nahbereich der Motorwicklung einen vorgegebenen, höchstzulässigen Grenzwert, wird auch hierbei die Abschaltung des Elektromotors veranlasst. Ein derartiges Verfahren ist aus der Offenlegungsschrift
DE 199 39 997 A1 bekannt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren haben eine Reihe von Nachteilen, aus denen sich in der Praxis Probleme ergeben. Bei Verwendung eines Temperatursensors ist zur elektrischen Isolierung zwischen diesem und der Wicklung eine ausreichende Isolierschicht erforderlich. Diese Isolierschicht stellt zugleich eine thermische Isolierung dar, weswegen sich insbesondere bei Überlast mit hohen Strömen eine Temperaturdifferenz zwischen dem elektrisch aktiven Teil der Wicklung selbst und dem Temperatursensor ergibt. Eine verzögerte Abschaltung des Elektromotors bei bereits vorliegender Überhitzung der Motorwicklung ist die Folge. Dieser Effekt wird durch erhöhte Anforderungen an die elektrische Isolierung für den Personenschutz noch verstärkt. Über einen in die Wicklung eingebauten Temperatursensor wird überdies die Temperatur nur an einer einzigen Stelle der Wicklung erfasst.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Anordnung zum drehzahlunabhängigen Schutz eines Elektromotors bereitzustellen, die kostengünstig realisierbar ist und auch die Lastausnutzung des Motors verbessert sowie eine unzulässige Temperaturen der Wicklungen des Elektromotors zuverlässig erfasst, um eine rechtzeitige Reduktion der Motorlast oder eine Motorabschaltung bei bzw. vor einer thermischen Überlastung vornehmen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Temperaturüberwachungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Grundgedanke der Erfindung ist es die Umgebungstemperatur T
U des Motors, den Motorstrom und den Phasenwinkel des Motorstromes zu erfassen. Dazu wird erfindungsgemäß der Wicklungsstrom über eine Messeinrichtung erfasst und in der Steuereinheit der Motorelektronik mittels Clark-Park Transformation in das d/q-Koordinatensystem (Zeigermodel) transformiert. Dies hat erfindungsgemäß den Vorteil, dass der für den Betrieb der Temperaturüberwachungsanordnung zu erfassende Wicklungsstrom dann als Gleichgröße vorliegt. Hierzu werden über einen vorbestimmten Zeitraum t
mess aus dem Zeigermodell die geometrische Summen aus dem d-wicklungsstrom Id und dem q-Wicklungsstrom Iq als Grenzwert
bestimmt, bei dem die Wicklungtemperaturerhöhung unterhalb eines zulässigen Wertes T
G der für den zu schützenden Motor auf Grund seines Aufbaus festgelegten Isolierstoffklasse liegt. Zusätzlich wird bei der Motor-Typprüfung eine maximale Übertemperatur T
max ermittelt, bis zu der die Wicklung mit reduziertem Wicklungsstrom betrieben werden darf. Diese Werte werden in einem nichtflüchtigen Speicher der Motorsteuerung hinterlegt. Im Betrieb des Motors wird dann ein spezifischer Korrekturfaktor K
TU für den zulässigen maximalen Wicklungsstrom bei Überschreitung der zulässigen Umgebungstemperatur ermittelt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Bestimmung des Korrekturfaktors KTU wie folgt: KTU = 1 für TU < TZ KTU = 1 – ( Tu – Tmax / Tmax) für TU > TZ wobei
- TU:
- Umgebungstemperatur
- TZ:
- maximale Umgebungstemperatur, die für den Motor spezifiziert ist (kann z. B. bei der Typprüfung des Motors bestimmt werden)
- Tmax:
- maximal zulässige Übertemperatur (kann z. B. bei der Typprüfung des Motors bestimmt werden)
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Im Betrieb des Motors wird anhand der gemessenen Werte für die Umgebungstemperatur des Motors der Abschaltwert des Wicklungsstromes IAbschalt berechnet, bei dem der Motor bei Überschreiten desselben über ein Abschaltsignal abgeschaltet wird.
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Der mathematische Algorithmus zur Bestimmung des maximal zulässigen Wicklungsstromes in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur lautet erfindungsgemäß wie folgt: IAbschalt = IGrenz·KTU wobei
- IAbschalt:
- Mittelwert des Wicklungsstromes, bei dem der Motor abgeschaltet wird
- IGrenz:
- maximaler zulässiger Mittelwert des Wicklungsstromes IWicklung.
- KTU:
- Korrekturfaktor
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Temperaturüberwachungseinrichtung zum drehzahlunabhängigen Schutz der Wicklung eines elektronisch kommutierten Elektromotors vor Erwärmung über eine bestimmte Grenztemperatur TG vorgesehen, wobei diese ausgebildet ist mit einer Phasenstromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Phasenstroms IWicklung für die Motorwicklungen, einer Überstromabschalteinrichtung zum Abschalten des Elektromotors beim Überschreiten eines maximal zulässigen Phasenstroms IAbschalt, einer Überstromüberwachungseinrichtung, die mit der Überstromabschalteinrichtung verbunden ist, um dieser ein Abschaltsignal zu übermitteln, wenn der erfasste Phasenstrom IWicklung den von einer Erfassungs- und Berechnungseinrichtung ermittelten maximal zulässigen Phasenstrom IAbschalt überschreitet, wobei bei der Ermittlung des maximal zulässigen Phasenstroms IAbschalt ein Algorith mus verwendet wird, bei der die gemessene Umgebungstemperatur TU umfasst ist.
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In einerö bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist weiter eine Elektronik vorgesehen ist, um mittels Clark-Park-Transformation aus dem mit der Wicklungsstromerfassungseinrichtung erfassten Wicklungsstrom den d- und q-Wicklungsstromanteil im Zeigermodell zu erhalten und beim Algorithmus zur Ermittlung des maximal zulässigen Phasenstroms I
Abschalt ferner der d-Wicklungsstromanteil und der q-Wicklungsstromanteil berücksichtigt werden, wobei dieser bevorzugt nach der bereits zuvor angegebenen Formel:
ermittelt wird.
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Es ist weiter vorteilhaft, wenn eine Vorrichtung zur Erfassung der Umgebungstemperatur TU vorgesehen ist oder diese aus Motordaten gewonnen wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine auslesbare Speichervorrichtung für die Bereitstellung von Sollwertdaten mit der Erfassungs- und Berechnungseinrichtung für die Ermittlung des maximal zulässigen Phasenstroms IAbschalt verbunden ist, wobei als Sollwertdaten wenigstens die maximal zulässige Umgebungstemperatur TZ, die maximal zulässige Übertemperatur des Motors Tmax und der maximal zulässige Wicklungsstrom IGrenz. vorgesehen sind.
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Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die Sollwertdaten über eine vorhandene Eingabevorrichtung an den Speicher eingegeben werden können, der vorzugsweise als nicht flüchtiger Speicher ausgebildet ist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur drehzahlunabhängigen Temperaturüberwachung eines wenigstens eine Wicklung aufweisenden Elektromotors mit einer Temperaturüberwachungseinrichtung den folgenden Schritten:
- a. Messen des Phasenstroms mit der Phasenstromerfassungseinrichtung während eines vorbestimmten Zeitraums t;
- b. Durchführen einer Clark-Park-Transformation des gemessenen Phasenstromes zum Erhalt der d- und q-Wicklungsstromanteile im dq-Zeigersystem;
- c. Berechnen der geometrischen Summe der d- und q-Wicklungsströme gemäß der folgenden Formel:
- d. Erfassen der Umgebungstemperatur und
- e. Berechnen des Abschaltstromes gemäß dem zuvor angegebenen Algorithmus: IAbschalt = IGrenz·KTU, wobei KTU ein Korrekturfaktor darstellt, der sich wie folgt bestimmt: KTU = 1 für TU < TZ KTU = 1 – ( Tu – Tmax / Tmax) für TU > TZ
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Die Bezeichnungen TU, TZ, Tmax wurden bereits zuvor erläutert. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung in Schritt e) mittels der Erfassungs- und Berechnungseinrichtung (14) erfolgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Komparator den erfassten Phasenstroms IWicklung mit dem maximal zulässigen Phasenstrom IAbschalt vergleicht und bei der Bedingung IWicklung > IAbschalt die Überstromabschalteinrichtung den Elektromotor abschaltet oder die Kommutierung unterbricht.
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Dabei ist es weiter von Vorteil, wenn nach einem Abschaltvorgang oder Unterbrechungsvorgang nach Ablauf einer definierten Totzeit ein automatischer Motorstart bzw. Wiederstart erfolgt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass auch Motoren wieder nach einer Überhitzung anlaufen ohne dass es eines manuellen Eingriffs durch eine Bedienperson bedarf.
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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 eine Tabelle, die den Zusammenhang zwischen den Isolierstoffklassen bzw. den zugehörigen Temperaturwerten und der jeweils zulässigen Temperaturerhöhung darstellt,
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2 einen Funktionsgraphen des Korrekturfaktors in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur;
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3 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Temperaturüberwachungseinrichtung eines Elektromotors und
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4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die 1 bis 4 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hinweisen.
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Die 1 zeigte eine Tabelle, die den Zusammenhang zwischen den Isolierstoffklassen bzw. den zugehörigen Temperaturwerten 105° (Klasse A) bis 250° und der jeweils zulässigen Temperaturerhöhung in Kelvin darstellt. Die Temperaturerhöhung wird dabei als Differenz zwischen der Wicklungstemperatur und der Umgebungstemperatur bestimmt.
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Die 2 zeigt einen Funktionsgraphen des Korrekturfaktors KTU in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur TU mit den Bezeichnungen TU, TZ, Tmax, die bereits im Rahmen der allgemeiner Erfindungsbeschreibung erläutert wurden. KTU = 1 für TU < TZ KTU = 1 – ( Tu – Tmax / Tmax) für TU > TZ
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Der Korrekturfaktors KTU verringert sich mit zunehmender Umgebungstemperatur TU ab der maximale Umgebungstemperatur, die für den Motor spezifiziert ist linear bis die maximal zulässige Übertemperatur erreicht ist. In diesem Bereich kann der Motor mit verringerter Leistung betrieben werden.
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In der 3 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Temperaturüberwachungseinrichtung 1 eines Elektromotors gezeigt. Die Temperaturüberwachungseinrichtung 1 ist zum drehzahlunabhängigen Schutz der Wicklung eines elektronisch kommutierten Elektromotors 10 vor Erwärmung über eine bestimmte Grenztemperatur TG mit einer Phasenstromerfassungseinrichtung 11 zum Erfassen des Phasenstroms IWicklung für die Motorwicklungen ausgebildet. Ferner ist eine Überstromabschalteinrichtung 12 zum Abschalten des Elektromotors 10 beim Überschreiten eines maximal zulässigen Phasenstroms IAbschalt vorgesehen.
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Die Überstromabschalteinrichtung 12 ist mit einer Überstromüberwachungseinrichtung 11 verbunden, um von dieser bei Eintritt der Abschaltbedingung ein Abschaltsignal zu erhalten und zwar, wenn der erfasste Phasenstrom IWicklung den maximal zulässigen Phasenstrom IAbschalt überschreitet.
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Zur Ermittlung oder Berechnung des maximal zulässigen Phasenstrom IAbschalt ist eine Erfassungs- und Berechnungseinrichtung 14 vorgesehen, die mit der Überstromüberwachungseinrichtung 11 verbunden ist.
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Weiter ist erkennbar, dass die Erfassungs- und Berechnungseinrichtung 14 mit Einrichtungen verbunden ist zum Erhalt von Sollwerten TZ, Tmax, IGrenz sowie der Umgebungstemperatur TU. Die Umgebungstemperatur wird mit einer Vorrichtung 18 zur Erfassung der Umgebungstemperatur ermittelt bzw. gemessen.
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Die Phasenstromerfassungseinrichtung 11 ist mit der Kommutierungssteuerung 15 und diese wiederum mit dem Inverter 16 zum Bestromen der Motorwicklungen 17 des Elektromotors E verbunden.
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In der 4 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm gezeigt, um das erfindungsgemäße Verfahren zu erläutern. Zur Erhöhung des Motordrehmomentes erfolgt eine Erhöhung des Wicklungsstromes, der gemessen wird. Im Folgenden werden die bereits zuvor beschriebenen Schritte durchgeführt bis ein Komparator den erfassten Phasenstroms IWicklung mit dem maximal zulässigen Phasenstrom IAbschalt vergleicht und bei der Bedingung IWicklung > IAbschalt die Überstromabschalteinrichtung 12 den Elektromotor E abschaltet oder die Kommutierung der der Kommutierungssteuerung 15 unterbricht. Andernfalls wird der Normalbetrieb detektiert.
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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, so kann wie im Ausführungsbeispiel der 4 gezeigt nach einem Abschaltvorgang des Elektromotors E nach Ablauf einer definierten Totzeit ein automatischer Motorneustart erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 93/23904 A1 [0005]
- DE 19939997 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 0530 Teil 1 [0002]
- DIN EN 61558 [0002]
