DE202018104332U1 - Circuit arrangement for overload protection of an EC motor - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung (1) zum Überlastschutz eines EC-Motors (2), der ausgebildet ist von einer an einem Zwischenkreis (3) mit einer Zwischenkreisspannung UZK betriebenen Kommutierungselektronik (4) über eine Endstufe (5) angesteuert zu werden, umfassend
a. eine Signalverarbeitungseinrichtung (10), die ausgebildet ist, zum Verarbeiten eines erfassten Signals (SEND) repräsentierend den Endstufenstrom IEND der Endstufe (5), einer jeweils aktuellen Motorphasenspannung des EC-Motors (2) und der aktuellen Zwischenkreisspannung UZK, wobei
b. die Signalverarbeitungseinrichtung (10) einen Komparator (20) aufweist, der ausgebildet ist das zum Endstufenstrom IEND korrespondierende Signal (SEND) mit einem Referenzsignal (SREF) zu vergleichen;
c. eine Abschaltvorrichtung (3, 6), die ausgebildet ist, abhängig von einer Abschaltbedingung, die wenigstens das Vergleichsergebnis des Komparators (10) umfasst, die Stromversorgung zum EC-Motor (2) zu unterbrechen.
Circuit arrangement (1) for overload protection of an EC motor (2) which is designed to be driven by a commutation electronics (4) operated at an intermediate circuit (3) with an intermediate circuit voltage U ZK via an output stage (5)
a. a signal processing device (10) which is designed to process a detected signal (S END ) representing the output stage current I END of the output stage (5), a respective current motor phase voltage of the EC motor (2) and the current DC link voltage U ZK ,
b. the signal processing device (10) has a comparator (20) which is designed to compare the signal (S END ) corresponding to the output stage current I END with a reference signal (S REF );
c. a shut-off device (3, 6), which is designed to interrupt the power supply to the EC motor (2), depending on a shut-off condition comprising at least the comparison result of the comparator (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überlastschutz eines EC-Motors.The invention relates to a circuit arrangement for overload protection of an EC motor.
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.In electric drives and motors, it is almost inevitable that in the engine heat losses occur, which lead to an increase in temperature. Consequently, there is an upper limit temperature for the electric motor, and once this is exceeded, the motor may be damaged or fail.
Die Motorelektronik, die typischerweise aus einem Eingangskreis, einem Zwischenkreis, der Kommutierung und der Leistungsendstufe z. B. einem DC/AC-Wandler besteht, muss gemäß den Sicherheitsvorschriften und dem Regelwerk der Europäischen
Es kann infolge von Betriebsstörungen am Elektromotor selbst, aber 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 und zu unsicheren Betriebszuständen führen kann, dann wenn z.B. ein Isolierstoff versagt. Zum Schutz des Elektromotors vor Überhitzung ist deshalb die Kenntnis der Wicklungstemperatur notwendig.It can come as a result of malfunction of the electric motor itself, but at an inadmissibly high temperature in the electric motor. Such cases occur at intended high loads on the machine, as in binding or z. B. in blockade of mechanics. Even dirty ventilation grilles on the electric motor can cause unwanted temperature increases. If the winding of the motor exceeds the allowable temperature, the electric motor will be damaged, which may result in failure of the entire machine and may lead to unsafe operating conditions, e.g. an insulating material fails. To protect the electric motor from overheating, it is therefore necessary to know the winding temperature.
Es 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.There are currently solutions provided in the prior art, which z. B. provide the measurement of the winding temperature and have a shutdown, which triggers when the limit temperature is exceeded. Another known approach provides that the winding current is limited depending on the engine speed. The temperature increase of windings in motors is determined by the motor structure whose winding impedance and the winding current.
Aus der Offenlegungsschrift
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.In other known methods which try to do without a temperature sensor, the current drawn by the electric motor is monitored. If the motor current exceeds the permissible continuous current for a longer period of time, the motor is switched off via the motor-protective circuit-breaker or in the case of variable-speed three-phase motors via the frequency inverter.
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
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.The devices and methods known from the prior art have a number of disadvantages which present problems in practice. When using a temperature sensor, a sufficient insulating layer is required for electrical insulation between it and the winding. This insulating layer also represents a thermal insulation, which is why, especially in overload with high currents, a temperature difference between the electrically active part of the winding itself and the temperature sensor results. A delayed shutdown of the electric motor with existing overheating of the motor winding is the result. This effect is exacerbated by increased requirements for electrical insulation for personal protection. Moreover, the temperature is detected only at a single point of the winding via a temperature sensor built into the winding.
Bei einer Stromüberwachung lediglich des Motorstroms gibt auch das weitere Problem, dass abhängig von der Motorspannung aufgrund zulässiger Referenzwerte die Motorerwärmung nicht optimal überwacht werden kann, da sich bei einer konstanten Referenz eine nicht konstante Abschalttemperatur je nach Arbeitspunkt und Ansteuergrad des Motors ergeben.In a current monitoring only the motor current is also the further problem that depending on the motor voltage due to allowable reference values, the engine heating can not be optimally monitored, as result in a constant reference a non-constant shutdown depending on the operating point and drive level of the motor.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Schaltungsanordnung sowie eine Verfahren zum drehzahlunabhängigen Schutz eines Elektromotors bereitzustellen, die kostengünstig und zuverlässig realisierbar ist. It is therefore an object of the present invention to overcome the aforementioned disadvantages and to provide a circuit arrangement and a method for the speed-independent protection of an electric motor, which can be realized inexpensively and reliably.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a device according to claim 1.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, neben dem Motorstrom gleichzeitig die weiteren maßgeblichen Faktoren kumulativ zum Motorstrom mittels einer entsprechend erfindungsgemäß konzipierten Schaltungsanordnung zu erfassen, um daraus eine Abschaltbedingung zu erhalten. Maßgeblich für die Statorerwärmung sind neben dem Motorstrom auch die Motorspannung (Motorphasenspannung) und die Zwischenkreisspannung.A basic idea of the present invention is, in addition to the motor current, simultaneously to grasp the other relevant factors cumulatively to the motor current by means of a circuit arrangement designed according to the invention, in order to obtain a switch-off condition therefrom. In addition to the motor current, the motor voltage (motor phase voltage) and the DC link voltage are decisive for the stator heating.
Erfindungsgemäß ist daher eine Schaltungsanordnung zum Überlastschutz eines EC-Motors vorgesehen, der ausgebildet ist von einer an einem Zwischenkreis mit einer Zwischenkreisspannung UZK betriebenen Kommutierungselektronik über eine Endstufe angesteuert zu werden, wobei die Schaltungsanordnung folgendes umfasst:
- a. eine Signalverarbeitungseinrichtung, die ausgebildet ist, zum Verarbeiten eines erfassten Signals „SEND“ repräsentierend den Endstufenstrom IEND der Endstufe, einer jeweils aktuellen Motorphasenspannung des EC-Motors und der aktuellen Zwischenkreisspannung UZK, wobei
- b. die Signalverarbeitungseinrichtung einen Komparator aufweist, der ausgebildet ist das zum Endstufenstrom IEND korrespondierende Signal mit einem Referenzsignal „SREF“ zu vergleichen;
- c. eine Abschaltvorrichtung, die ausgebildet ist, abhängig von einer Abschaltbedingung, die wenigstens das Vergleichsergebnis des Komparators umfasst, die Stromversorgung zum EC-Motor zu unterbrechen.
- a. a signal processing device, which is designed to process a detected signal "S END " representing the output stage current I END of the output stage, a respective current motor phase voltage of the EC motor and the current intermediate circuit voltage U ZK , wherein
- b. the signal processing device has a comparator which is designed to compare the signal corresponding to the output stage current I END with a reference signal "S REF ";
- c. a shutdown device configured to interrupt the power supply to the EC motor depending on a shutdown condition including at least the comparison result of the comparator.
Die Höhe des Endstufenstroms und demnach das erfasste Signal „SEND“ repräsentierend den Endstufenstrom ist ein wesentlicher Indikator für die thermische Überlastung des Motors. Da der Referenzwert eine Obergrenze für den jeweils aktuell maximal zulässigen Motorstrom ist, stellt der Referenzwert einen dynamischen Referenzwert dar, der sich korrespondierend zu den Größen Motorphasenspannung und Zwischenkreisspannung ändert.The magnitude of the final stage current, and hence the detected signal "S END " representing the final stage current, is an essential indicator of the thermal overload of the motor. Since the reference value is an upper limit for the currently maximum permissible motor current, the reference value represents a dynamic reference value that changes in a manner corresponding to the variables motor phase voltage and intermediate circuit voltage.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Signalverarbeitungseinrichtung einen Signaleingang für die Messgrößen: Motorphasenspannung, Endstufenstrom IEND, Zwischenkreisspannung UZK und ein Offset-Wert (als Hilfsgröße) aufweist. Eingangsseitig kann die Signalverarbeitungseinrichtung einen Filter zum Aufbereiten bzw. Filtern der Daten aufweisen und insbesondere, um daraus einen Referenzwert zu bestimmen.In an advantageous embodiment, it is provided that the signal processing device has a signal input for the measured variables: motor phase voltage, output stage current I END , intermediate circuit voltage U ZK and an offset value (as auxiliary variable). On the input side, the signal processing device may have a filter for processing or filtering the data, and in particular for determining a reference value therefrom.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn ein Tiefpassfilter wenigstens die Messgröße des Endstufenstroms vor einer Übertragung des daraus gewonnenen Signals an den Komparator filtert.It is also advantageous if a low-pass filter filters at least the measured variable of the output stage current before a transmission of the signal obtained therefrom to the comparator.
Weiter von Vorteil ist eine Ausgestaltung bei der nachgeschaltet zum Komparator ein Integrator vorgesehen ist, der ausgebildet ist, bei Erkennen einer Abschaltbedingung die Abschaltung zu verzögern, solange bis vom Komparator eine vorbestimmte Anzahl von Abschaltanweisungen innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls erhalten werden. Der Integrator hat damit die Eigenschaft, dass die Abschaltung nicht sofort eintritt, wenn das Signal für den Endstufenstrom „SEND“ den Referenzwert „SREF“ überschreitet, sondern erst nach einer Reihe von solchen Abschaltsignalen. Weiter hat die Erwärmung im Stator ein sich einschwingendes Verhalten und steigt nicht spontan an. Durch den Integrator werden zudem Einflüsse durch EMV reduziert.Another advantage is an embodiment in which a comparator is provided downstream of an integrator, which is designed to delay the shutdown upon detection of a shutdown condition, until a predetermined number of shutdown instructions within a predetermined time interval are obtained by the comparator. The integrator thus has the property that the shutdown does not occur immediately when the signal for the power stage current "S END " exceeds the reference value "S REF ", but only after a series of such shutdown signals. Furthermore, the heating in the stator has a settling behavior and does not increase spontaneously. The integrator also reduces the influence of EMC.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Signalausgang der Signalverarbeitungseinrichtung bereitgestellt wird, um ein Abschaltsignal über eine Signalleitung zur Endstufe zu übertragen.In a preferred embodiment of the invention it is provided that a signal output of the signal processing device is provided in order to transmit a switch-off signal via a signal line to the output stage.
Weiter von Vorteil ist es, wenn die Abschaltvorrichtung zwischen der Kommutierungselektronik und der Endstufe oder zwischen der Endstufe und dem EC-Motor angeordnet ist, so dass der Motor von seiner Energieversorgung getrennt wird, bevor eine unzulässige Überhitzung des Stators entstanden ist ohne dass es einem Temperatursensor bedarf.It is also advantageous if the disconnection device is arranged between the commutation electronics and the output stage or between the output stage and the EC motor, so that the motor is disconnected from its power supply before an unacceptable overheating of the stator has occurred without it being a temperature sensor requirement.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Messvorrichtung zum Erfassen des Endstufenstroms der Endstufe vorgesehen ist, die einen Signalausgang für das Meßsignal zur Übertragung an die Signalverarbeitungseinrichtung aufweist.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that a measuring device for detecting the output stage current of the output stage is provided, which has a signal output for the measurement signal for transmission to the signal processing device.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anwendung zum Überlastschutz eines EC-Motors, insbesondere mittels einer wie zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung. Allerdings ist es denkbar, dass der konkrete Aufbau der Schaltungsanordnung von der beschriebenen Anordnung auch bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens abweicht.Another aspect of the present invention relates to an application for overload protection of an EC motor, in particular by means of a circuit arrangement as described above. However, it is conceivable that the specific structure of the circuit arrangement deviates from the described arrangement even when using the method according to the invention.
Die Anwendung weist hierzu die folgenden Schritte auf:
- a) Erfassen des Endstufenstroms IEND der Endstufe, einer Motorphasenspannung des EC-Motors und der Zwischenkreisspannung UZK,
- b) Zuführen der im zuvor genannten Schritt a) erfassten Messgrößen an eine dazu ausgebildete Signalverarbeitungseinrichtung;
- c) Bestimmen eines dynamischen Referenzsignals aus wenigstens einem der beiden Messgrößen: aktuelle Motorphasenspannung des EC-Motors und/oder aktuelle Zwischenkreisspannung UZK;
- d) Kontinuierliches oder diskontinuierliches Vergleichen derjenigen Signale, die korrespondierend zum jeweils aktuellen Endstufenstrom IEND aus Schritt a) sind, mit dem gerade aktuell bestimmten Referenzsignal mittels des Komparators und Ermitteln daraus, ob eine Abschaltbedingung wegen zu hoher Motortemperatur vorliegt und optional
- e) Erzeugen eines Abschaltsignals für die Abschaltvorrichtung, zur Unterbrechung der Stromversorgung zum EC-Motor, wenn eine Abschaltbedingung gegeben ist.
- a) detecting the output stage current I END of the output stage, a motor phase voltage of the EC motor and the intermediate circuit voltage U ZK ,
- b) supplying the measured variables detected in the aforementioned step a) to a signal processing device designed for this purpose;
- c) determining a dynamic reference signal from at least one of the two measured variables: current motor phase voltage of the EC motor and / or current intermediate circuit voltage U ZK ;
- d) Continuous or discontinuous comparison of those signals which are corresponding to the respective current output stage current I END from step a), with the just currently determined reference signal by means of the comparator and determining whether a shutdown condition is due to high engine temperature and optional
- e) generating a shutdown signal for the shutdown device, for interrupting the power supply to the EC motor, if a shutdown condition is given.
Weiter vorteilhaft ist das Verfahren ausgebildet, wenn ein Integrator verwendet wird, der erst nach Empfang einer vorbestimmte Anzahl von Abschaltanweisungen ein Abschaltsignal an die Abschaltvorrichtung weiterleitet und erst dann eine Abschaltung erfolgt.Further advantageously, the method is formed when an integrator is used, which forwards a switch-off signal to the switch-off device only after receipt of a predetermined number of switch-off instructions and only then takes place a switch-off.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn in Schritt b) zusätzlich ein Offset in Form einer konstanten Referenzspannung als Hilfsgröße an die Signalverarbeitungseinrichtung, vorzugsweise an deren Eingangsfilter übermittelt wird.It is also advantageous if in step b) additionally an offset in the form of a constant reference voltage as an auxiliary quantity is transmitted to the signal processing device, preferably to its input filter.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt c) zum Erzeugen bzw. Bestimmen eines dynamischen Referenzsignals „SREF“ wenigstens die folgenden Messgrößen verarbeitet und verwendet werden: aktuelle Zwischenkreisspannung UZK, Aussteuergrad des EC-Motors und ein Offsetsignal.In a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that in step c) for generating or determining a dynamic reference signal "S REF " at least the following measured variables are processed and used: actual intermediate circuit voltage U ZK , modulation level of the EC motor and an offset signal.
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.Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.
Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und -
2 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitungseinrichtung zur Realsierung des Überlastschutzes.
-
1 a block diagram of a device according to the invention and -
2 a block diagram of the signal processing device for realizing the overload protection.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die
Die
Die Schaltungsanordnung
Wie in der
Der Komparator
In der
Ferner ist in der
Der Signalausgang
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Abwandlung denkbar, welche z. B. eine weitere Signalaufbereitung vorsieht.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a modification is conceivable, which z. B. provides a further signal conditioning.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 93/23904 A1 [0006]WO 93/23904 A1 [0006]
- DE 19939997 A1 [0008]DE 19939997 A1 [0008]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Norm EN 60335-1 [0003]Standard EN 60335-1 [0003]
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DE202018104332.3U DE202018104332U1 (en) | 2018-07-27 | 2018-07-27 | Circuit arrangement for overload protection of an EC motor |
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DE202018104332.3U DE202018104332U1 (en) | 2018-07-27 | 2018-07-27 | Circuit arrangement for overload protection of an EC motor |
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DE202018104332U1 true DE202018104332U1 (en) | 2018-08-30 |
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2018
- 2018-07-27 DE DE202018104332.3U patent/DE202018104332U1/en active Active
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R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |