DE4031427A1 - Verfahren und vorrichtung zum energiereduzierten betrieb eines elektromagnetischen stellgliedes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, zum energieredu­ zierten Betrieb eines elektromagnetischen Stellgliedes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Ein derartiges Verfahren sowie eine Vorrichtung ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 39 10 810.4 bekannt. Nach erfolgter Schaltung des Stell­ gliedes, insbesondere eines Ventils in einem hydraulischen Kreis, wird die zugeführte Leistung um einen festen Betrag abgesenkt. Die dann noch zugeführte verminderte Leistung wird durch Versuche unter Zuschlag von Sicherheitsreserven bestimmt. Das verminderte Leistungsniveau ist dabei je nach verwendetem Stellglied festzulegen, die das Stellglied steuerende Schaltung ist also immer dem verwendeten Stell­ glied bzw. Ventil anzupassen. Aufgrund der Vielzahl unter­ schiedlicher Stellglieder führt dies zu einer entsprechen­ den Anzahl angepaßter Schaltungen, was sehr aufwendig ist. Auch ist nachteilig, daß die infolge Erwärmung des Stell­ gliedes sich ändernden Betriebsbedingungen nur als fester Wert berücksichtigt werden können. Ist z. B. durch die sich ändernden Betriebsbedingungen eine Erhöhung der zugeführ­ ten Leistung notwendig, muß dieser Leistungsbedarf bei der Bestimmung des Festbetrages der verminderten Leistung bereits berücksichtigt werden. Dem Stellglied wird also auch dann eine erhöhte Leistung zugeführt, wenn sich die Betriebsbedingungen noch nicht geändert haben. Trotz der Anpassung des Verfahrens bzw. der Schaltungsanordnung an das veränderte Stellglied ist daher keine optimale Leistungsanpassung an den momentanen Betriebszustand gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum energiereduzierten Betrieb eines elektromagnetischen Stellgliedes anzugeben, daß abhängig vom verwendeten Stellglied selbsttätig eine Absenkung der zugeführten elektrischen Leistung auf ein zum sicheren Betrieb im momentanen Betriebszustand notwendiges Maß ausführt. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gegeben werden.

Die Aufabe wird erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 8 angegeben.

Nach dem Anschluß des Stellgliedes wird durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren die Minimalleistung festgestellt, bei der sich der Beginn einer Schaltzustandsänderung ankündigt. Diese beginnende Schaltzustandsänderung wird durch die Überwachung des Schaltzustandes erkannt und als Reaktion dem Stellglied sofort die erhöhte elektrische Leistung aufgeschaltet, so daß der Beginn der Schaltzustandsänderung nicht zum Umschalten des Stellgliedes führen kann. Vielmehr wird durch Aufgabe der erhöhten elektrischen Leistung der eingenommene Schaltzustand wieder stabilisiert. Nach einer vorgebbaren Zeitdauer wird dann die elektrische Leistung auf einen Leistungswert abgesenkt, der der ermittelten Minimalleistung plus einer vorgebbaren Sicherheitsreserve­ leistung entspricht.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet eine selbsttätige Anpassung der einem Stellglied zugeführten elektrischen Leistung auf einen zur sicheren Aufrecht­ erhaltung des Schaltzustandes notwendigen Leistungswert. Da mit dem Verfahren selbsttätig der notwendige Leistungswert während des Betriebes des Stellgliedes festgestellt wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne notwendige Anpassung für jedes elektromagnetische Stellglied bzw. induktiven Verbraucher verwendet werden.

Ergibt sich nach Reduzierung der Leistung auf den fest­ gestellten Leistungswert nach einer bestimmten Betriebs­ dauer die Gefahr einer Schaltzustandsänderung, wird dies durch die Überwachung erfaßt und unmittelbar auf die erhöhte elektrische Leistung zurückgeschaltet. Die Gefahr einer Schaltzustandsänderung wird daher unverzüglich ausgeräumt. Nach dem Zurückschalten auf die erhöhte elektrische Leistung wird dann in der angegebenen Weise wieder die Minimalleistung ermittelt und nach erneuter Rückschaltung auf die erhöhte elektrische Leistung auf den in diesem Betriebszustand festgestellten Leistungswert abgesenkt, der der Minimalleistung plus einer vorgebbaren Sicherheitsreserveleistung entspricht. Damit ist eine geschlossene Regelschleife gebildet, durch welche das Stellglied immer an seinem Limit des notwendigen Energie­ bedarfs gehalten wird. Es ergibt sich somit eine optimale Leistungsreduktion, welche eine nachteilige Erwärmung des Stellgliedes vermeidet, wodurch ein zuverlässigerer Betrieb, geringere Belüftungsmaßnahmen und eine längere Lebensdauer erzielt ist. Bei Verwendung des Stellgliedes in Verbindung mit einem Ventil in einem Hydraulikkreis können Kühlmaßnahmen für das Hydrauliköl verringert werden. Ferner können durch die Energieeinsparung die Netzgeräte kleiner dimensioniert werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird die Ermittlung der Minimalleistung in vorgebbaren Zeitabständen wiederholt. Auf diese Weise wird ein über eine längere Betriebsdauer sich ergebender veränderter Leistungsbedarf berücksichtigt, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn der Leistungsbedarf abgesenkt werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die an der Spule des Stellgliedes anliegende Spannung und der durch die Spule fließende Strom überwacht und die Änderung der Spannung und des Stroms als Signale auftretender Schalt­ zustandsänderungen ausgewertet. Dies ist möglich, da jede Stellungsänderung des Schaltgliedes gleichzeitig eine Rückwirkung im elektromagnetischen Kreis des Stellgliedes bewirkt. Somit kann als "Stellungssensor" die Spule des Stellgliedes selbst dienen, weshalb jedes handelsübliche Stellglied ohne weiteres nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.

Aus den zur Überwachung des Schaltzustandes des Stell­ gliedes auszuwertenden Signalen können Stellgliedparameter berechnet werden, so daß eine dem angeschlossenen Stell­ glied angepaßte, adaptive Regelung möglich ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weite­ ren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im einzelnen beschriebenes Ausführungs­ beispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 ein Schaubild der am Ausgang der Schaltungs­ anordung abgegebenen elektrischen Leistung P_v über der Zeit t.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung 1 weist zwei Eingangsklemmen 2, 3 auf, an die eine Versorgungsspannung U angelegt ist. Die Versorgungsspannung U ist eine Gleich­ spannung.

An den Ausgangsklemmen 4, 5 der elektrischen Schaltungs­ anordnung 1 ist als induktiver Verbraucher ein elektroma­ gnetisches Stellglied 6 angeschlossen, welches im darge­ stellten Ausführungsbeispiel ein in einem hydraulischen Kreis 8 liegendes Ventil 7 öffnet bzw. schließt. Das Ven­ til 7 ist ein Zweistellungsventil (Auf/Zu).

Parallel zu den Ausgangsklemmen 4 und 5 ist ein Löschglied 9 geschaltet.

Die Eingangsklemme 3 ist mit der Ausgangsklemme 4 über einen elektrischen Schalter 10, vorzugsweise einen Halbleiter wie einen Leistungstransistor, einen Thyristor oder dgl. verbunden. Die Eingangsklemme 2 steht mit der Eingangsklemme 5 unmittelbar in Verbindung.

Der Steuereingang 11 des elektronischen Schalters 10 ist mit einer Steuerschaltung 12 verbunden, die von einem Regler 13 angesteuert ist. Der Regler 13 ist mit dem Ausgang einer Überwachungsschaltung 14 verbunden, die den durch die Spule des elektromagnetischen Stellgliedes fließenden Strom i_v wie die an der Spule abfallende Spannung u_v zeitabhängig erfaßt. Hierzu ist das Potential der Ausgangsklemme 4 einem ersten Spannungseingang 15 und das Potential der Ausgangsklemme 5 einem zweiten Spannungs­ eingang 15 der Überwachungschaltung 14 zugeführt. Das Potential der angelegten Versorgungsspannung U wird durch eine Verbindung des Spannungseingangs 17 mit der Eingangs­ klemme 3 der Überwachungsschaltung 14 mitgeteilt. Ferner ist der Überwachungsschaltung 14 über einen Stromeingang 18 der durch die Spule fließende Strom i_v mitgeteilt. Hierzu ist in der Zuleitung zur Ausgangsklemme 4 ein Sensorwider­ stand 19 angeordnet, wobei der Stromabgriff im Punkt 20 zwischen dem Sensorwiderstand 19 und dem elektronischen Schalter 10 erfolgt. Die vorgesehene Überwachungsschaltung 14 kann so anhand der ihr über die Eingänge 15 bis 18 zugeführten Signale und der an der Spule des elektroma­ gnetischen Stellgliedes 6 auftretenden Strom- und Spannungsänderungen auf eine beginnende Änderung des Schaltzustandes des Stellgliedes schließen. An die Ausgangsklemmen 4 und 5 kann somit jedes beliebige Stellglied angeschlossen werden, da die Spule jedes Stellgliedes gleichzeitig als Sensor für eventuell auftretende Schaltzustandsänderungen benutzt werden kann.

Es kann auch vorteilhaft sein, anstelle einer Überwachungs­ schaltung 14 für die Strom- und Spannungsänderungen eine Überwachungsschaltung vorzusehen, der das Signal eines Stellungssensors 21 bzw. Weggebers für das Stellglied zuge­ führt ist, wie in Fig. 2 strichliert angedeutet ist. So kann z. B. die Lage eines Ventilstößels des Ventils 7 überwacht werden, so daß das Ausgangssignal des Stellungs­ ensors 21 auftretende Schaltzustandsänderungen anzeigt.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar, welches anhand des Diagramms in Fig. 2 nachfolgend im einzelnen erläutert ist.

Zum Zeitpunkt a wird das Stellglied durch Aufschaltung der maximalen Leistung P_max in einen Schaltzustand gebracht, bei dem z. B. das Ventilglied 7 geschlossen ist. Zum Auf­ bringen der maximalen Leistung P_max wird am Steuerein­ gang 11 ein von der Steuerschaltung in Abhängigkeit vom Signal des Reglers 13 pulsweitenmoduliertes Signal aufgegeben, welches ein vollständiges Durchschalten des elektronischen Schalters 10 gewährleistet. Die Leistung P_max liegt über einen Zeitraum t₁ an den Ausgangsklemmen 4 und 5 an. Der Zeitraum t₁ ist vorgebbar; er wird insbeson­ dere so gewählt, daß mit Sicherheit der gewünschte Schalt­ zustand des Stellgliedes 6 erreicht ist.

Zum Zeitpunkt b wird vom Regler 13 der Steuerschaltung 12 ein derartiges Signal aufgegeben, daß das am Steuerein­ gang 11 anliegende Signal in seiner Pulsweite moduliert wird. Dies erfolgt derart, daß die an den Ausgangsklemmen 4 und 5 abgegebene Leistung P_v über einen Zeitraum t₂ ab­ sinkt. Die Verminderung der abgegebenen Leistung P_v erfolgt dabei zweckmäßig kontinuierlich; es kann aber auch eine schrittweise Absenkung der Leistung in wählbarer Schrittweite vorteilhaft sein.

Zum Zeitpunkt c erreicht die abgesenkte Leistung den Wert P₀, bei dem die Überwachungsschaltung 14 eine beginnende Schaltzustandsänderung des Stellgliedes 6 meldet. Daraufhin speichert der Regler 13 den erreichten Wert P₀ ab und teilt gleichzeitig über seinen Ausgang der Steuerschaltung 12 mit, das pulsweitenmodulierte Signal am Steuereingang 11 des elektronischen Schalters 10 derart zu verändern, daß im Zeitpunkt c schlagartig die volle elektrische Leistung auf die Ausgangsklemmen 4 und 5 aufgeschaltet wird, um der beginnenden Schaltzustandsänderung des Stellgliedes 6 entgegenzuwirken und den gewünschten Schaltzustand zu sichern. Die volle elektrische Leistung P_max liegt dabei über einen vorgebbaren Zeitraum t₃ an.

Zum Zeitpunkt d veranlaßt der Regler 13 über die Steuer­ schaltung 12 eine Veränderung des pulsweitenmodulierten Steuersignals am Steuereingang derart, daß die an den Ausgangsklemmen 4 und 5 abgegebenen Leistung schlagartig auf eine Leistung P₁ abgesenkt wird, die der Summe der Minimalleistung P₀ plus einer Reserveleistung Δ P ent­ spricht. Die an den Ausgangsklemmen 4 und 5 über den Zeitraum t₄ abgegebene Leistung P₁ ist ausreichend, den Schaltzustand des Stellgliedes 6 mit hoher Sicherheit zu halten und gewährleistet gleichzeitig, daß dem Stellglied nicht mehr Energie zugeführt wird, als zum sicheren Halten des Schaltzustandes notwendig ist.

Tritt zum Zeitpunkt e z. B. ein hydraulischer Stoß im hydraulischen Kreis 8 auf, welcher zu einer Verschiebung des Ventilstößels führt, registriert die Überwachungs­ schaltung 14 die beginnende Schaltzustandsänderung, meldet dies dem Regler 13, der daraufhin sofort die Steuerschal­ tung zum Durchschalten der maximalen Leistung P_max veran­ laßt. Die maximale Leistung P_max wird für einen vorgebbaren Zeitraum t₅ gehalten, um dann ab dem Zeitpunkt f die an den Ausgangsklemmen 4 und 5 abgegebene Leistung P_v über den Zeitraum t₂ bis auf eine Veränderung des Schaltzustandes zulassende Minimalleistung P′₀ abzusenken. Sobald die Überwachungsschaltung 14 eine beginnende Veränderung des Schaltzustandes des Schaltgliedes 6 feststellt, wird unmittelbar auf volle Leistung P_max zurückgeschaltet (Zeitpunkt g), welche über einen vorgebbaren Zeitraum t₃ beibehalten wird. Nach Ablauf des Zeitraums t₃ erfolgt zum Zeitpunkt h ein sprunghaftes Absenken auf die Leistung P₂, welche der abgetasteten Minimalleistung P′₀ plus einer Reserveleistung Δ P entspricht.

Die zum Zeitpunkt g erfaßte Minimalleistung P′₀ ist deutlich größer als die zum Zeitpunkt c erfaßte Minimal­ leistung P₀. Dies kann einerseits durch eine Erwärmung des Stellgliedes 6 über eine längere Betriebsdauer bedingt sein, oder durch einen im hydraulischen Kreis 8 angestie­ genen Druck. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist gewährleistet, daß auch derartige Betriebszustands­ änderungen im elektrischen oder hydraulischen Kreis berücksichtigt werden und immer nur soviel Leistung dem Stellglied 6 zugeführt wird, welche zur sicheren Einhaltung des gewünschten Schaltzustandes notwendig ist. Dabei kann es vorteilhaft sein, daß die Ermittlung der Minimalleistung P₀ bzw. P′₀ in vorgebbaren Zeitabständen kontinuierlich wiederholt wird. Auf diese Weise kann eine eventuell notwendige Anhebung der Ausgangsleistung P_v an den Aus­ gansklemmen 4 und 5 bereits erfolgen, bevor ein kritischer Schaltzustand am Stellglied 6 auftritt. Insbesondere ist dadurch aber gewährleistet, daß ein aufgrund geänderter Betriebsbedingungen auftretender geringerer Leistungsbedarf erkannt und entsprechend eingestellt wird. Die an der Spule des Stellgliedes 6 anliegende Spannung u_v und der durch diese Spule fließende Strom i_v werden überwacht und die Änderungen der Spannung u_v bzw. des Stroms i_v werden als Signale auftretender Schaltzustandsänderungen ausgewertet. In vorteilhafter Weise können diese Schaltzustandsände­ rungen anzeigenden Signale zur Berechnung von Stellglied­ parametern bzw. von Paramentern des Ventils 7 herangezogen werden. Diese Berechnung der Parameter erfolgt durch den Regler 13, der die Parameter zur adaptiven Leistungsrege­ lung auswertet.

Claims (11)

1. Verfahren zum energiereduzierten Betrieb eines elektro­ magnetischen Stellgliedes (6), wobei zum Schalten des Stellgliedes (6) eine maximale elektrische Leistung (P_max) zugeführt wird und nach dem Schalten die zuge­ führte elektrische Leistung (P_v) auf einen zum Halten des Schaltzustandes ausreichenden Wert (P₁, P₂) abgesenkt wird, wobei der eingenommene Schaltzustand permanent überwacht und bei einer Veränderung des Schaltzustandes dem Stellglied (6) für eine vorgebbare Zeitdauer (t₃) eine erhöhte, insbesondere die maximale elektrische Leistung (P_max) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des Schalt­ zustandes des Stellgliedes (6) die ihm zugeführte elektrische Leistung (P_v) zu einer den Beginn einer Schaltzustandsänderung zulassenden Minimalleistung (P₀) (P′₀) verringert wird, daß bei Erreichen der Minimal­ leistung (P₀, P′₀) dem Stellglied (6) die erhöhte elektrische Leistung (P_max) aufgeschaltet wird, und daß nach einer vorgebbaren Zeitdauer (Δt) die elektrische Leistung (P_v) erneut auf einen Leistungswert (P₁, P₂) abgesenkt wird, der der Minimalleistung (P₀, P′₀) plus einer vorgebbaren Sicherheitsreserveleistung (ΔP) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung der zugeführten elektrischen Leistung (P_v) bis zu der Minimalleistung (P₀, P′₀) gleichmäßig erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Minimal­ leistung (P₀, P′₀) in vorgebbaren Zeitabständen (t₄) wiederholt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Spule des Stellgliedes anliegende Spannung (u_v) und der durch die Spule fließende Strom (i_v) überwacht und die Änderungen der Spannung (u_v) und des Stroms (i_v) als Signale auftretender Schaltzustandsänderungen ausgewertet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Überwachung des Schaltzustandes des Stellgliedes (6) auszuwertenden Signale zur Berechnung von Stellgliedparametern herangezogen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung auf den aus der Summe der Minimalleistung (P₀, P′₀) und der Sicher­ heitsreserveleistung (P) bestimmten Leistungswert (P₁, P₂) schlagartig erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (t₁, t₅) zwischen dem Zeitpunkt (a, e) der vollen Leistungsauf­ schaltung und dem Beginn (b, f) der Leistungsabsenkung zur Ermittlung der Minimalleistung (P₀, P′₀) vorgebbar ist.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Schaltglied (6), wel­ ches über einen elektronischen Schalter (10) an eine Versorgungsspannung (U) anlegbar ist und mit einer Über­ wachungsschaltung (14) für den Schaltzustand des Stell­ gliedes (6), dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Überwachungs­ schaltung (14) verbundener Regler (13) vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einem Steuerkreis (12) zur puls­ weitenmodulierten Ansteuerung des elektrischen Schal­ ters (10) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (12) zur Berechnung von Stellgliedparametern aus den Signalen der Überwachungsschaltung (14) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschal­ tung (14) mit einem im Stellglied (6) integrierten Wegsensor (21) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschal­ tung (14) mit einem im elektrischen Kreis des Stell­ gliedes (6) angeordneten Sensorwiderstand (19) verbunden ist.