EP4179621A1 - Technik zur freischaltung einer ansteuerung einer leistungsstufe - Google Patents

Technik zur freischaltung einer ansteuerung einer leistungsstufe

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Publication number
EP4179621A1
EP4179621A1 EP21742806.9A EP21742806A EP4179621A1 EP 4179621 A1 EP4179621 A1 EP 4179621A1 EP 21742806 A EP21742806 A EP 21742806A EP 4179621 A1 EP4179621 A1 EP 4179621A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
input
signal
safety function
modulation
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21742806.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander GÜNTER
Dirk Plewka
Lutz Heuer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP4179621A1 publication Critical patent/EP4179621A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters

Definitions

  • the invention relates to a technique for enabling control of a power stage of an electrical machine.
  • a device for enabling a power stage and a frequency converter equipped therewith are disclosed.
  • the dynamic signal must be generated for this principle. This can be done, for example, by a microcontroller or by a different type of clock generator. In addition, the dynamic signal must be evaluated by a processing unit.
  • a first aspect relates to a device for enabling control of a power stage of an electrical machine.
  • the device comprises a first input for detecting or connecting a safety function signal and a second input for detecting or connecting a reference potential of the safety function signal.
  • the device comprises one or at least two switch-off paths for the control.
  • Each switch-off route includes:
  • an input coupler which is connected on the input side between the first input and the second input and is designed to transmit the safety function signal (optionally galvanically isolated) from the inputs;
  • At least one modulation logic unit which is designed to logically link a modulation signal assigned to the respective switch and the safety function signal transmitted by the respective input coupler and to output it as an unlockable modulation signal at the output.
  • the input coupler transmits the safety function signal, which is electrically isolated from the inputs.
  • the modulation signal assigned to the respective switch (optionally in the device) is electrically isolated from a modulator for generating the modulation signal.
  • the unlockable modulation signal can also be referred to as a safe modulation signal.
  • the modulation logic unit can be a logical operator.
  • the modulation logic unit can be a logic unit that is designed to logically combine a modulation signal assigned to the respective switch, which is generated by a modulator, and the safety function signal transmitted by the respective input coupler and output it as the modulation signal that can be enabled at the output.
  • the switch of a half-bridge can be a semiconductor switch.
  • the device can be a functional safety circuit part for or in a frequency converter.
  • the electric machine can be an electric motor.
  • Exemplary embodiments of the device can set the activation of the power stage by means of the modulation logic unit under the condition that the safety function signal is present at the first input and/or at the second input. If the safety function signal is absent at the first input and/or at the second input, the or each modulation logic unit does not output the modulation signal assigned to the respective switch of a half-bridge to the power stage, since the transmitted safety function signal is absent (i.e. not present or is logically equal to zero), ie the power level is not controlled.
  • the or each switch-off path can be configured (e.g. independently of the or the other switch-off paths) to monitor the safety function signal between the inputs (e.g. to be detected by means of the respective input coupler) and in response to the absence of the safety function signal stop driving the power stage (e.g. by means of the modulation logic unit).
  • the safety function signal can be omitted at the inputs if the first input or the second input is interrupted or potential-free.
  • the safety function signal can be present (for example only present) if a current flows from the first input to the second input.
  • a current representing the safety function signal can flow from the first input through the or each input coupler to the second input.
  • the input coupler can be designed to transmit the safety function signal represented by a current flowing between the first input and the second input or by a voltage present between the first input and the second input.
  • the logical link can be a logical AND link (or conjunction) between the associated modulation signal and the transmitted safety function signal.
  • a (preferably positive) transmitted safety function signal can be a prerequisite for forwarding or transmission or for output of the assigned modulation signal to the power stage.
  • the reference potential of the safety function signal can be a ground potential or a ground potential.
  • the device can be designed to enable the driving of N half-bridges (for example for N phases) of the power stage.
  • the device may include at least 2N outputs.
  • a pair of outputs can be assigned to each half-bridge.
  • Each pair of outputs can be designed to drive switches (preferably semiconductor switches, for example a high-side semiconductor switch and a low-side semiconductor switch) of the power stage that are assigned to the respective half-bridge.
  • the device may comprise at least two switch-off paths, the input couplers of which are connected in series between the first input and the second input.
  • the safety function signal can be a signal for safe torque interruption (in short: STO signal) of the electrical machine.
  • STO signal and/or the device can be designed according to the European standard IEC 61800-5-2:2007 and/or the stop category 0 or 1 of the European standard 60204.
  • the electrical machine can be used or can be used as a motor and/or as a generator.
  • the disconnection can (for example in the case of the engine) interrupt a drive torque and/or (for example in the case of the generator) interrupt a braking torque.
  • the electrical machine can be an electric motor, preferably an asynchronous motor. Alternatively or additionally, the electrical machine can be a three-phase machine.
  • the device can also include a converter or transformer which is designed to supply a supply voltage which is galvanically decoupled from a control unit for monitoring the activation and/or a modulator for generating the modulation signal at the input coupler and/or to output or provide to the modulation logic unit and/or to the output (e.g. the optocoupler of the output).
  • a converter or transformer which is designed to supply a supply voltage which is galvanically decoupled from a control unit for monitoring the activation and/or a modulator for generating the modulation signal at the input coupler and/or to output or provide to the modulation logic unit and/or to the output (e.g. the optocoupler of the output).
  • the safety function signal or the first input can feed (for example provide) a supply voltage of the input coupler or the input couplers and/or a supply voltage of the modulation logic unit or the modulation logic units.
  • a supply voltage of the input coupler or each input coupler and/or a supply voltage of the modulation logic unit or each modulation logic unit can be output or provided independently of the safety function signal (e.g. independently of the presence or absence of the safety function signal).
  • a supply voltage of the input coupler or each input coupler and/or a supply voltage of the modulation logic unit or each modulation logic unit can be galvanically decoupled from an operating voltage of a modulator that generates the modulation signal and/or of an output coupler (e.g. an optocoupler) that outputs the modulation signal that can be enabled at the output.
  • the or each galvanically isolating input coupler of the safety function signal and/or the galvanically isolating the modulation signal can have an optical, inductive and/or capacitive signal coupling.
  • the or each shutdown path may further include a filter.
  • the filter can be connected between the input coupler and the modulation logic unit.
  • the filter may include an amplifier.
  • the amplifier can amplify the electrically isolated transmitted safety function signal, for example to a voltage for controlling the power stage and/or to a voltage of more than 100 V or more than 200 V.
  • the Filter include a low pass.
  • the low-pass can filter the amplified safety function signal.
  • the filter can include a Schmitt trigger.
  • the Schmitt trigger can output the amplified and/or filtered safety function signal with a hysteretic waveform, for example to the modulation logic unit.
  • a time constant (for example a time characteristic or filter length) of the low-pass filter can be independent of a voltage of the safety function signal.
  • the or each shutdown route may further include a test logic unit.
  • the test logic unit can be connected between the input coupler and the modulation logic unit. On the input side, the test logic unit can logically link the transmitted safety function signal and a test signal (for example according to an AND link).
  • the device can further comprise a control unit which is designed to generate the test signal for interrupting the transmitted safety function signal (e.g. a logic zero) and to monitor a signal profile in response to the test signal at a signal tap on the modulation logic unit or at the output.
  • the control unit can be designed, for example, to issue an instruction to switch off the modulation signal to a modulator that generates the modulation signal if the monitored signal profile does not correspond to the activation of the control in a predetermined time window.
  • the device may further include a modulator turn-off path.
  • the modulator turn-off path or device may include a modulator generating the modulation signal.
  • the modulator shutdown path can also include an input coupler, which is connected on the input side between the first input and the second input and is designed to galvanically isolate the safety function signal from the inputs as (e.g. logically inverted) switch-off instruction to the modulator.
  • the modulator can be designed to switch off the modulation signal in response to the transmitted safety function signal being omitted.
  • the device can also include a modulator which is designed to generate the at least one modulation signal.
  • the transmitted safety function signal can be applied to the modulator in its own switch-off path (the modulator switch-off path).
  • the modulator may be configured to discontinue (i.e., turn off) generation of the at least one modulation signal in response to the cessation (i.e., absence) of the transmitted safety function signal.
  • the device may further include a controller shutdown path.
  • the controller shutdown path or device may include a controller.
  • the control unit switch-off path can also include an input coupler, which is connected on the input side, for example between the first input and the second input, and is designed to transmit the safety function signal, electrically isolated from the inputs, to the control unit.
  • the control unit can be designed to monitor a signal curve at a signal tap on the modulation logic unit or at the output in response to the absence of the transmitted safety function signal.
  • the control unit can also be designed to issue an instruction to switch off the modulation signal to a modulator that generates the modulation signal if the monitored signal curve does not correspond to the activation of the control in a predetermined time window.
  • the device can also include a flap switch-off path (also: brake switch-off path).
  • the Falte shut-off path may include an electromechanical brake or twist-lock and an input coupler connected upstream between the first input and the second input is connected and is designed to transmit the safety function signal electrically isolated from the first input and from the second input to the electromechanical brake or rotary lock.
  • the electromechanical brake can be designed to generate a braking torque on a shaft of the electrical machine when the transmitted safety function signal is absent, or the electromechanical rotary lock can be designed to generate a holding torque on a shaft of the electrical machine when the transmitted safety function signal is absent.
  • a second aspect relates to a frequency converter for driving an electric motor.
  • the frequency converter includes a power stage that is designed to switch or generate at least one phase of the electric motor (for example a switch of a half-bridge of the power stage) in accordance with at least one modulation signal that can be enabled.
  • the frequency converter includes a modulator which is designed to generate at least one modulation signal for controlling the power stage.
  • the frequency converter includes a device for enabling the control of the power stage according to the first aspect.
  • the device can be designed to logically combine the at least one modulation signal of the modulator with the transmitted safety function signal in order to output the modulation signal that can be activated.
  • the term frequency converter also includes an inverter with a variable frequency (for example in accordance with the at least one modulation signal).
  • the inverter can be a single-phase, two-phase, three-phase or multi-phase inverter.
  • the frequency converter can be operated with direct current or alternating current.
  • the power stage can have or can have a DC voltage applied to it as the supply voltage on the input side.
  • the frequency converter can include a rectifier (for example an intermediate circuit with a rectifier) to which an AC voltage is or can be applied as the supply voltage on the input side.
  • the rectifier or the intermediate circuit
  • the rectifier can be electrically connected to the input of the power stage.
  • the frequency converter can be a variable speed starter or can be integrated into a variable speed starter.
  • the control unit can also be designed to control the modulator according to a starting method of the electric motor and/or to control the modulator to reverse the electric motor.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of a device for
  • Fig. 2 is a schematic block diagram of a device for
  • FIG. 3A to 3D each show a schematic block diagram of an example of an input coupler which can be used in any exemplary embodiment of the device for enabling;
  • Fig. 4 is a schematic block diagram of a device for
  • Fig. 5 is a schematic block diagram of a device for
  • Fig. 6 is a schematic block diagram of a device for
  • Fig. 7 is a schematic block diagram of a device for
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a first exemplary embodiment of a device, denoted generally by reference numeral 100, for enabling control of a power stage, denoted generally by reference numeral 200.
  • the power stage 200 can be designed or used to drive or to collect current from an electrical machine, which is generally designated by reference numeral 300, ie an electric motor or an electric generator.
  • the first exemplary embodiment of the device 100 includes a first input 102 for detecting a safety function signal and a second input 104 for detecting a reference potential of the safety function signal.
  • the device 100 comprises a switch-off path 106 of the control.
  • Other embodiments may include two or more shutdown paths 106 .
  • Each switch-off path 106 includes an input coupler 110.
  • the input coupler 110 is connected between the first input 102 and the second input 104 on the input side.
  • the input coupler 110 is designed to transmit the safety function signal (optionally galvanically isolated in a first variant of each exemplary embodiment) from the first input 102 and from the second input 104 .
  • each switch-off path 106 comprises at least one output 130 for driving a switch of a flag bridge of power stage 200 (e.g. a phase of power stage 200), preferably for driving a positive or negative section of the phase and/or a semiconductor switch (e.g. an IGBT) on high-side branch or on the low-side branch of power stage 200.
  • a switch of a flag bridge of power stage 200 e.g. a phase of power stage 200
  • a semiconductor switch e.g. an IGBT
  • Each switch-off path 106 also includes a modulation logic unit 120, which is designed to logically combine a modulation signal 166 assigned to the respective switch (e.g. the positive or negative section of the phase) and the safety function signal transmitted by the respective input coupler 110, and at the output as a modulation signal 108 that can be enabled to spend
  • the modulation signal preferably has two logic levels and/or corresponds to a pulse width modulation (PWM).
  • the input coupler 110 symbol shown in FIG. 1 generally represents an isolating or non-isolating Input coupler 110.
  • input coupler 110 may be as shown below in one of Figs. 3A to 3D shown schematically.
  • the input coupler 110 can electrically isolate the safety function signal from the respective switch-off path 106 .
  • the modulation signal 166 can be electrically isolated from an external modulator 160, for example in accordance with FIG. 3A.
  • the inputs 102 and 104 of the safety function signal can be protected from a dangerous touch voltage (even in the event of a malfunction of one of the components of the respective switch-off path 106 or of the external modulator 160).
  • the modulation signal 166 must be galvanically isolated, since either the input coupler 110 or the connection of the external modulator 160 must be a galvanically isolating component (e.g. an optocoupler) for electrical safety.
  • a supply voltage of the input coupler 110 and/or the modulation logic unit 120 is preferably not controlled or not interrupted.
  • the failure of the supply voltage in each switch-off path 106 can have the same effect as the transmitted safety function signal is no longer available, i.e. the control is enabled if the supply voltage fails.
  • the one or at least two shutdown paths 106 can implement a safe torque interruption (i.e., a "Safe Torque Off or STO" function).
  • the output 130 may include an output coupler for galvanically isolated transmission of the modulation signal 108 that can be enabled to the power stage 200 .
  • the output coupler can include optocouplers (ie optical signal coupling) or inductive and/or capacitive signal coupling.
  • first exemplary embodiment includes a switch-off path 106
  • further exemplary embodiments for example in a further development of the first exemplary embodiment, can have two or more switch-off paths 106.
  • the device 100 for driving a power stage 300 for single-phase alternating current can comprise two switch-off paths 106 for the upper (technically also: “high-side”) and lower (technically also: “low-side”) branch of a half-bridge.
  • a third switch-off path can be provided for a microcontroller that monitors or tests the device.
  • the device 100 for controlling a power stage 300 for three-phase current can have six switch-off paths 106 for the upper (technically also: “high-side”) and lower (technically also: “low-side”) branch of three half-bridges each (technically also: B6 bridge).
  • a seventh switch-off path can be provided for a microcontroller that monitors or tests the device.
  • one or at least two separate switch-off paths 106 can be provided in order to implement an STO function, for example in a variable-speed starter of electric motor 300 .
  • a "STO+" signal (for example with a nominal voltage of 24 V) can be detected and/or connected to the first input 102 .
  • An associated reference potential or reference potential ie an “STO-” signal (for example with a nominal voltage of 0 V) can be detected and/or connected to the second input 104 . If one of the two signals fails (e.g. if the corresponding input becomes potential-free or an electrical connection of the corresponding input becomes high-impedance), the transmitted safety function signal is lost in each switch-off path, ie the safety function is triggered.
  • these two signals, STO+ and STO ⁇ are each electrically isolated from the respective switch-off path 106 by means of an optocoupler 110 in the input coupler 110 .
  • the switch-off path or paths 106 can also be referred to as a channel or channels.
  • the power stage 200 will be powered from a positive terminal 202 (DC+) and a negative terminal 204 (DC-) of a DC voltage (e.g. a DC mains or a rectified voltage).
  • the power stage switches the DC voltage according to the modulation signal 166 to generate the corresponding (i.e. the modulation signal 166 assigned) phase for the electric machine 300.
  • the device 100 can be implemented as a circuit part of the functional safety, preferably as a circuit part of the safety function STO.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of a first exemplary embodiment of a frequency converter, generally designated by reference numeral 400, for driving an electric motor 300.
  • the first exemplary embodiment of the frequency converter 400 comprises a power stage 200 which is designed to switch or generate at least one phase of the electric motor 300 in accordance with at least one modulation signal 108 which can be activated.
  • the power stage 200 can include a semiconductor bridge with two switches (for example semiconductor switches) per phase.
  • the frequency converter 400 includes a modulator 160 which is designed to generate at least one modulation signal 166 for driving the at least one semiconductor bridge (for example the respective switch of the semiconductor bridge) of the power stage 200 .
  • the frequency converter 400 also includes a device 100 for Enabling the activation of the power stage 200 according to one of the exemplary embodiments described herein, the device 100 logically linking the at least one modulation signal 166 of the modulator 160 with the transmitted safety function signal in each case in order to output the modulation signal 108 that can be enabled for the respective phase (e.g. the respective switch of the semiconductor bridge of the power stage 200).
  • Each embodiment of the device 100 and/or the frequency converter 400 can comprise a converter or transformer 150 (for example a DC/DC converter) with galvanic isolation.
  • the transformer 150 has a first galvanically isolated output 152, at which the transformer 150 provides a supply voltage for the device 100, preferably for the input coupler 110 and/or for the modulation logic unit 120 and/or the output 130.
  • An optional second decoupled output 154 of the transformer 150 provides the supply voltage of the output 130 and/or an operating voltage at the inputs 162 and 164 of the modulator 160 and/or an operating voltage of a control unit (for example a microcontroller) of the device 100.
  • a control unit for example a microcontroller
  • the control is preferably enabled exclusively via the switch-off path(s) 106 (or one of the other switch-off paths 107A and/or 107B), while the supply and operating voltages of the other components of the device 100 and/or the frequency converter 400 are not controlled, for example not interrupted , become when the safety function signal is omitted.
  • Embodiments of the device 100 or the frequency converter 400 can have a safety function for torque interruption (technically also referred to as “Safe Torque Off” or STO) by the power stage being controlled by the modulation signal 108 which can be activated (for example with a voltage of 0 V) to immediately interrupt a power supply to the electric motor 300 as a drive.
  • STO Safety Torque Off
  • the "STO" safety function of the frequency converter 400 controlling the drive 300 can interrupt the current and thus the torque of the drive.
  • the drive 300 can no longer generate any torque after the STO has been switched off by means of the device 100 or the frequency converter 400 . With the interruption of the current, a torque of the drive 300 can be eliminated with immediate effect and the drive 300 can be stopped uncontrolled.
  • the STO safety function can correspond to stop category 0 of the European standard EN 60204.
  • a mechanical brake is advantageous for braking the drive 300, for example so that there is no undesired overrun or end positions are not exceeded.
  • a mechanical brake or a mechanical lock can be designed to generate a braking torque or a holding torque for a shaft of electric motor 300 in response to the absence of the safety function signal, preferably around the to prevent possible position change in a torque-free drive 300.
  • the device 100 may include a hold-off path.
  • the hold-turn-off path includes an input coupler 110.
  • the input coupler 110 is connected between the first input 102 and the second input 104 on the input side.
  • the input coupler 110 is designed to send the safety function signal electrically isolated from the first input 102 and from the second input 104 to an electromechanical brake or transfer rotary lock. If the transmitted safety function signal is omitted, the brake generates the braking torque or the rotary lock generates the holding torque on a shaft of electrical machine 300.
  • electric machine 300 may be an electric motor.
  • the electric motor 300 can be a three-phase asynchronous motor, for example with a power consumption of 50 W to 3 kW.
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of the device 100 and a corresponding frequency converter according to a second exemplary embodiment.
  • the second exemplary embodiment can be implemented on its own or as a further development of one of the aforementioned exemplary embodiments, for example the first exemplary embodiment.
  • the input coupler 110 may comprise (at least) one transistor, for example instead of an optocoupler (i.e. the transistor need not be a photo-transistor).
  • the transmitted safety function signal (for example in the device 100) is not electrically isolated from the safety function signal present at the first input 102 and/or the second input 104.
  • a galvanic isolation 112 (for example an optocoupler or an inductive and/or capacitive signal coupling) can separate the modulation signal 166 (for example in the device 100 and/or at a modulation signal input of the device 100) from a modulator 160, which generates the modulation signal galvanically separate. This may be necessary to ensure electrical safety.
  • the transformer 150 may be an insulation bridging device for electrical safety.
  • FIG. 3A to 3D each show a schematic block diagram of an example of an input coupler that can be used in any embodiment of the device 100.
  • FIG. The schematic block diagrams are simplified or can indicate a circuit principle that can be implemented, for example, by additional resistors and capacitors or as part of a larger circuit.
  • Figs. 3A to 3D for the input coupler 110 i.e. the one input coupler 110 or each of the input couplers 110
  • the examples can be used at the output 130 and/or for the optional galvanic isolation 112 of the modulation signal 166.
  • a first example of input coupler 110 includes an optocoupler for signal coupling.
  • the optocoupler can comprise a light-emitting diode which is connected between the first input 102 and the second input 104 (possibly in series with further input couplers).
  • the optocoupler can also include a photo-transistor that can be illuminated by the light-emitting diode, the output of which is electrically isolated from the safety function signal on the input side.
  • a second example of input coupler 110 includes a differential amplifier for signal coupling.
  • the differential amplifier can be connected in parallel to a resistor which is connected between the first input 102 and the second input 104 (possibly in series with further input couplers 110).
  • the differential amplifier can transmit the safety function signal on the output side.
  • a third example of input coupler 110 includes a transistor (preferably not a photo-transistor) for signal coupling.
  • the transistor can be connected on the input side (optionally in parallel with a resistor connected as in the second example) between the first input 102 and the second input 104 .
  • the transistor can transmit the safety function signal on the output side.
  • a fourth example of the input coupler 110 includes a current mirror for signal coupling.
  • the current mirror can be connected on the input side (optionally in parallel with a resistor connected as in the second example) between the first input 102 and the second input 104 .
  • the current mirror can transmit the safety function signal on the output side.
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of the device 100 and a corresponding frequency converter according to a third exemplary embodiment.
  • the third exemplary embodiment can be implemented on its own or as a further development of one of the aforementioned exemplary embodiments, for example the first and/or second exemplary embodiment.
  • the third exemplary embodiment feeds the supply voltage from the safety function signal, preferably from the first input 102, to at least one or all of the components of the respective shutdown route (ie channel) 106 or of all shutdown routes 106, for example in addition to or instead of a transformer 150.
  • the supplied components can use the input coupler 110 and/or the modulation logic unit 120.
  • channel 106 is supplied from digital input 102-104 of the safety function signal (STO) and no longer via transformer 150.
  • STO safety function signal
  • an embodiment with the transformer 150 can reduce current consumption at the digital input 102-104.
  • Output 130 (i.e., the output coupler at output 130) is preferably not powered by the safety function signal.
  • the supply on the output side must not be galvanically connected to the input side.
  • FIG. 5 shows a schematic block diagram of the device 100 and a corresponding frequency converter 400 according to a fourth exemplary embodiment.
  • the fourth exemplary embodiment can be implemented on its own or as a further development of one of the aforementioned exemplary embodiments, for example the first to third exemplary embodiments.
  • the fourth exemplary embodiment of device 100 can, for example in addition to the third exemplary embodiment, have a (preferably galvanically isolating) converter or transformer 150 (for example a DC/DC converter) for supplying at least one or all components of the respective shutdown path (ie channel) 106 or of all switch-off paths 106 include.
  • the (preferably galvanically isolating) transformer 150 may be an external supply with respect to the channel 106 .
  • the converter or transformer 150 does not electrically isolate its inputs 202 and 204 from an output 152 feeding the components, there must be no supply on the output side, i.e. no feeding of an output coupler (galvanically isolating the modulation signal 108 that can be activated) at the output 130 by means of the transformer 150, because the output 130 must not be galvanically connected to the input side. This means that the corresponding signal line 152 to the output 130 must then be omitted.
  • FIG. 6 shows a schematic block diagram of the device 100 and a corresponding frequency converter 400 according to a fifth example.
  • the fifth exemplary embodiment can be implemented on its own or as a further development of one of the aforementioned exemplary embodiments, for example the first to fourth exemplary embodiments.
  • the fifth exemplary embodiment comprises at least two switch-off paths 106, for example two switch-off paths for each phase generated by the power stage 200 for driving the electric motor 300 or two switch-off paths for all (for example three) phases generated by the power stage 200 for driving the electric motor 300.
  • a modulation signal 166 For the at least one modulation logic unit 120 of the first switch-off path 106 (e.g. per phase), the modulator 160 generates a pulse-width-modulated signal 166 to generate the phase section of positive voltage (e.g. positive with respect to a time-averaged voltage of the respective phase) or to control an upper (also : high-side) branch of a half-bridge for generating the respective phase in the power stage 200.
  • the modulator 160 also generates a pulse width moduli as the modulation signal 168 of the at least one modulation logic unit 120 of the second switch-off path 106 (for example per phase). ed signal 168 for generating the phase section of negative voltage (e.g. with regard to a time-averaged voltage of the respective phase) or for driving a lower (also: low-side) branch of the half-bridge for generating the respective phase in the power stage 200.
  • the inputs 102 and/or 104 can be compatible with test pulses from safety switching devices.
  • the test pulses are filtered out, preferably in each switch-off path 106 (and possibly in each of the other switch-off paths 107A and/or 107B).
  • Exemplary embodiments of the device 100 and/or the frequency converter 400 can be designed for both positive and negative test pulses.
  • a filter time for filtering out the test pulses is preferably independent of a voltage level at inputs 102 and/or 104.
  • the device 100 includes at least one modulator turn-off path 107A.
  • Each modulator shutdown path 107A includes an input coupler 110.
  • the input coupler 110 is connected on the input side between the first input 102 and the second input 104, for example in series with the input couplers 110 of the shutdown paths 106.
  • the input coupler 110 of the modulator shutdown path 107A is designed for this purpose to transmit the safety function signal electrically isolated from the first input 102 and from the second input 104 as a (for example logically inverted) switch-off instruction 142 for switching off the modulation signals 166 and 168 to the modulator 160.
  • the device 100 for example the modulator disable path 107A, may include the modulator 160 controlled by the transmitted safety function signal.
  • FIG. 7 shows a schematic block diagram of the device 100 and a corresponding frequency converter 400 according to a sixth exemplary embodiment.
  • the sixth exemplary embodiment can be implemented on its own or as a further development of one of the aforementioned exemplary embodiments, for example the first to fifth exemplary embodiments.
  • Each switch-off path 106 preferably includes a filter 122, for example a low-pass filter 122.
  • the filter 122 can be connected between the input coupler 110 and the modulation logic unit 120, for example between a test logic unit 121 and the modulation logic unit 120.
  • the galvanic isolation by means of the respective input coupler 110 makes it possible to implement the switch-off path(s) 106 on the potential of driving the power stage 200 that is dangerous to touch.
  • the device 100 can use a microcontroller 140 located at this potential for diagnostic purposes and/or in a microcontroller shutdown path 107B (for example in a third shutdown path or in a further shutdown path).
  • the transmitted Safety function signal within the shutdown path 106 may be represented by a voltage greater than 100V.
  • the filter 122 may include an amplifier 124 configured to amplify the transmitted safety function signal to the potential of the power stage 200 drive.
  • the filter 122 can include a low-pass filter 126 and/or a Schmitt trigger 128, preferably an inverting Schmitt trigger 128.
  • a first switch-off path 106 does not forward a first PWM signal (as first modulation signal 166) from modulator 160 (as high-side driver).
  • a second switch-off path 106 does not forward a second PWM signal (as a second modulation signal 168) from the modulator 160 (as a low-side driver).
  • Each embodiment of the device 100 may further include a microcontroller shutdown path 107B, for example as a third shutdown path and/or as shown schematically in FIG. 7 .
  • the microcontroller shutdown path 107B includes an input coupler 110.
  • the input coupler 110 is connected on the input side between the first input 102 and the second input 104, for example in series with the input couplers 110 of the shutdown paths 106 and/or the input coupler 110 of the shutdown path 107A.
  • the input coupler 110 of the microcontroller shutdown path 107B is designed to transmit the safety function signal electrically isolated from the first input 102 and from the second input 104 to a microcontroller 140 of the shutdown path 107B of the device 100 .
  • the microcontroller 140 can be designed to check, in response to the absence of the safety function signal, at a signal tap at the output 130 of each switch-off path 106 whether the modulation signal that can be enabled is actually switched off, for example set to 0 V or DC-.
  • microcontroller 140 is configured to, in response to the absence of the safety function signal, issue a switch-off instruction 142 to switch off the modulation signal to modulator 160, for example to transmit a switch-off instruction 142 to switch off modulation signals 166 and 168 to modulator 160.
  • microcontroller 140 turns PWM signals 166 and 168 off.
  • the device 100 for example the modulator disable path 107A, may include the modulator 160 controlled by the transmitted safety function signal.
  • the modulator 160 can be arranged in the frequency converter 400 outside the device 100 .
  • all signals e.g. the transmitted safety function signal and/or the modulation signal 166 or 168 of the modulator 160 and/or the modulation signal 108 that can be activated
  • the supply voltage of the first output 152 of the transformer 150 and/or the operating voltage of the second output 154 of the transformer 150 can be decoupled from one another.
  • test logic unit 121 may be installed as a test switch.
  • a test logic unit 121 can be connected between the input coupler 110 and the modulation logic unit 120, for example between the input coupler 110 and the filter 122.
  • Test logic unit 121 can be designed to logically link the modulation signal transmitted by input coupler 110 and a test signal 144, for example according to an AND operation, and to output this in shutdown path 106, for example to filter 122 or to modulation logic unit 120.
  • the device 100 can include a control unit 140, for example the aforementioned microcontroller 140, for checking the switching capability and/or the behavior over time.
  • a control unit 140 for example the aforementioned microcontroller 140, for checking the switching capability and/or the behavior over time.
  • the control unit 140 can be designed to use a test signal 144 (for example a logic zero) to simulate the absence of the safety function signal in the respective switch-off path 106 .
  • the control unit 140 can also be designed to detect (for example scan) a voltage profile of the transmitted safety function signal at a signal tap 129 in the respective switch-off path 106 between the test logic unit 121 and the modulation logic unit 120 . If the transmitted safety function signal is omitted at the signal tap 129 within a predetermined time window after the output of the test signal 144 for simulating the omitted safety function signal, the result of the check is an operating state of the device 100. Otherwise the result of the check is an error state. In the error state, the control unit 140 can output the error state (e.g.
  • the switch-off instruction 142 to switch off the modulation signal 166 and/or 168 to the modulator 160 (preferably regardless of whether the safety function signal is present at inputs 102 and 104 or has been omitted).
  • control unit 140 for example the aforementioned microcontroller 140
  • the control unit 140 can be designed to carry out at least one of the following control functions.
  • a first control function is starting the motor 300, preferably as a soft start (technically also: soft start) with power limitation when the motor 300 is switched on.
  • a second control function is reversing the motor 300.
  • the modulation logic unit 120 and/or the test logic unit 121 can include at least one logic gate (preferably an AND element) to implement the respective logic operation (for example a corresponding Boolean operation).
  • One output coupler 130 (such as an optocoupler) is required for each switch.
  • a total of six output couplers 130 e.g. optocouplers
  • six modulation logic units 120 are required as the electrical machine 300 (ie three phases, each of which is controlled by a half-bridge with two switches).
  • the six output couplers 130 output six modulation signals 108 which can be enabled.
  • the AND elements 120 (and above them the output couplers 130) for different switches of the half bridges can be connected to the same input coupler 110 or to the same test logic unit 121 or to the same filter 122. That is, one or each of the shutdown paths 106 can have more than one output coupler 130 include.
  • different switches of the half-bridges can each be connected to their own switch-off paths 106.
  • the device 100 may include more than two shutdown paths 106 .
  • the device 100 can be provided or used as a safety function of the frequency converter 400 . Alternatively or additionally, the device 100 can bring about a current interruption in the control of the frequency converter 400 .
  • a safety function signal preferably an STO signal 102
  • Controller shutdown path preferably microcontroller shutdown path 107B
  • Input coupler of the safety function signal preferably galvanically isolating, e.g. optocoupler, or differential amplifier, e.g. at voltage divider 110 Galvanic isolation of the modulation signal 112
  • Modulation logic unit e.g. AND gate 120
  • Test logic unit for example AND gate 121
  • Filter for example low-pass filter 122
  • Schm itt trigger preferably inverting Schm itt trigger 128
  • Output of the modulation signal that can be enabled, preferably a galvanically isolating output coupler, for example optocoupler 130
  • Control unit for example monitoring of the safety function 140
  • Modulator e.g. microcontroller or clock generator for PWM signal 160 Operating signal input 162
  • First modulation signal for example PWM signal for positive phase section and/or for semiconductor switches of a high-side branch 166
  • Second modulation signal for example PWM signal for negative phase section and/or for semiconductor switches of a low-side branch 168
  • Power stage e.g. half-bridge, H-bridge or B6-bridge 200
  • First mains connection e.g. positive connection to the DC voltage mains 202
  • Second mains connection e.g. negative connection to the DC voltage mains 204
  • Electrical machine preferably three-phase asynchronous machine 300

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein Aspekt betrifft eine Vorrichtung (100) zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe (200) einer elektrischen Maschine (300). Die Vorrichtung umfasst einen ersten Eingang (102) zur Erfassung eines Sicherheitsfunktionssignals und einen zweiten Eingang (104) zur Erfassung eines Referenzpotentials des Sicherheitsfunktionssignals. Die Vorrichtung umfasst ferner mindestens einen Abschaltweg (106) der Ansteuerung. Jeder Abschaltweg (106) umfasst jeweils einen Eingangskoppler (110), der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal von den Eingängen (102, 104) zu übertragen; mindestens einen Ausgang (130) zur Ansteuerung eines Schalters einer Halbbrücke der Leistungsstufe (200); und mindestens eine Modulationslogikeinheit (120), die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter zugeordnetes Modulationssignal (166; 168) und das vom jeweiligen Eingangskoppler (110) übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang (130) als freischaltbares Modulationssignal (108) auszugeben. Der Eingangskoppler (110) überträgt das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen (102, 104) und/oder das dem jeweiligen Schalter zugeordnete Modulationssignal (166; 168) ist in der Vorrichtung (100) galvanisch getrennt (112) von einem Modulator (160) zum Erzeugen des Modulationssignals (166; 168).

Description

Technik zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe
Die Erfindung betrifft eine Technik zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe einer elektrischen Maschine. Insbesondere sind, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Vorrichtung zur Freischaltung einer Leistungsstufe und ein damit ausgestatteter Frequenzumrichter offenbart.
Zum Antrieb eines Elektromotors existieren bereits Frequenzumrichter mit einer Funktion zur sicheren Drehmoment-Unterbrechung, die fachsprachlich als "Safe Torque Off-Funktion (STO-Funktion) bezeichnet wird. Das Dokument DE 102011 003922 A1 beschreibt einen solchen Frequenzumrichter, dessen STO-Eingangssignal dynamisiert ist, d.h. zeitabhängig ist. Eine Versorgungsspannung-Erzeugungseinheit eliminiert einen Gleichspannungsanteil. Nur wenn ein zeitabhängiges Signal vorliegt wird eine Versorgungsspannung für Übertragungsmittel und Treiber zur Ansteuerung einer Leistungsstufe erzeugt. Beim Ausfall der Dynamisierung wird gemäß dem Prinzip der Ausfallsicherheit (fachsprachlich auch: fail-safe) automatisch die Versorgungsspannung unterbrochen.
Jedoch muss für dieses Prinzip das dynamische Signal erzeugt werden. Dies kann z.B. durch einen Mikrocontroller geschehen oder durch einen andersartigen Taktgenerator. Zusätzlich muss das dynamische Signal durch eine Verarbeitungseinheit ausgewertet werden.
Während eine solche Konstruktion mit vertretbarem Mehraufwand realisierbar ist für Frequenzumrichter, die für weitere Funktionen einen Mikrocontroller benötigen, ist der Einsatz eines Mikrocontrollers oder anderer aufwendiger Schaltungen ausschließlich zur Dynamisierung unverhältnismäßig, beispielsweise bei einfachen Drehzahlstartern. Insbesondere ist noch keine STO-Funktion bei einfachen Drehzahlstartern bekannt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Technik zur sicheren Freischaltung der Steuerung einer Leistungsstufe, insbesondere einer STO- Funktion, anzugeben, die ohne aufwändige Dynamisierung des Eingangssignals auskommt, vorzugsweise die auch in einen einfachen Drehzahlstarter integrierbar ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Ein erster Aspekt betrifft eine Vorrichtung zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe einer elektrischen Maschine. Die Vorrichtung umfasst einen ersten Eingang zur Erfassung oder zum Anschluss eines Sicherheitsfunktionssignals und einen zweiten Eingang zur Erfassung oder zum Anschluss eines Referenzpotentials des Sicherheitsfunktionssignals. Ferner umfasst die Vorrichtung einen oder mindestens zwei Abschaltwege der Ansteuerung. Jeder Abschaltweg umfasst jeweils:
- einen Eingangskoppler, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal (optional galvanisch getrennt) von den Eingängen zu übertragen;
- mindestens einen Ausgang zur Ansteuerung eines Schalters einer Halbbrücke der Leistungsstufe; und
- mindestens eine Modulationslogikeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter zugeordnetes Modulationssignal und das vom jeweiligen Eingangskoppler übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang als freischaltbares Modulationssignal auszugeben. Der Eingangskoppler überträgt das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen. Alternativ oder ergänzend ist das dem jeweiligen Schalter zugeordnete Modulationssignal (optional in der Vorrichtung) galvanisch getrennt von einem Modulator zum Erzeugen des Modulationssignals.
Das freischaltbare Modulationssignal kann auch als sicheres Modulationssignal bezeichnet werden.
Die Modulationslogikeinheit kann ein logischer Operator sein. Alternativ oder ergänzend kann die Modulationslogikeinheit eine Logikeinheit sein, die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter zugeordnetes Modulationssignal, das von einem Modulator erzeugt ist, und das vom jeweiligen Eingangskoppler übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang als das freischaltbare Modulationssignal auszugeben.
Der Schalter einer Halbbrücke kann ein Halbleiterschalter sein.
Die Vorrichtung kann ein Schaltungsteil der funktionalen Sicherheit für oder in einem Frequenzumrichter sein.
Die elektrische Maschine kann ein Elektromotor sein.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung können die Ansteuerung der Leistungsstufe mittels der Modulationslogikeinheit unter die Bedingung stellen, dass das Sicherheitsfunktionssignal am ersten Eingang und/oder am zweiten Eingang anliegt. Entfällt das Sicherheitsfunktionssignal am ersten Eingang und/oder am zweiten Eingang, gibt die oder jede Modulationslogikeinheit das dem jeweiligen Schalter einer Halbbrücke zugeordnete Modulationssignal nicht an die Leistungsstufe aus, da das übertragene Sicherheitsfunktionssignal entfallen ist (d.h. nicht anliegt oder logisch gleich Null ist), d.h. die Ansteuerung der Leistungsstufe unterbleibt. In denselben Ausführungsbeispielen oder weiteren Ausführungsbeispielen kann der oder jeder Abschaltweg jeweils (beispielsweise unabhängig von dem oder den anderen Abschaltwegen) dazu ausgebildet sein, das Sicherheitsfunktionssignal zwischen den Eingängen zu überwachen (beispielsweise mittels des jeweiligen Eingangskopplers zu erfassen) und in Reaktion auf das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals die Ansteuerung der Leistungsstufe zu beenden (beispielsweise mittels der Modulationslogikeinheit).
Das Sicherheitsfunktionssignal kann an den Eingängen entfallen sein, falls der erste Eingang oder der zweite Eingang unterbrochen oder potentialfrei ist. Das Sicherheitsfunktionssignal kann anliegen (beispielsweise nur dann anliegen), falls ein Strom vom ersten Eingang zum zweiten Eingang fließt. Ein das Sicherheitsfunktionssignal repräsentierender Strom kann vom ersten Eingang durch den oder jeden Eingangskoppler zum zweiten Eingang fließen.
Der Eingangskoppler kann dazu ausgebildet sein, das durch einen zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang fließenden Strom oder durch eine zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang anliegende Spannung repräsentierte Sicherheitsfunktionssignal zu übertragen.
Die logische Verknüpfung kann eine logische Und-Verknüpfung (oder Konjunktion) zwischen dem zugeordneten Modulationssignal und dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal sein.
Aufgrund der Und-Verknüpfung kann ein (vorzugsweise positives) übertragenes Sicherheitsfunktionssignal Voraussetzung für eine Weiterleitung oder eine Übertragung oder eine Ausgabe des zugeordneten Modulationssignals an die Leistungsstufe sein.
Das Referenzpotential des Sicherheitsfunktionssignals kann ein Erdungspotential oder ein Massepotential sein. Die Vorrichtung kann zur Freischaltung der Ansteuerung von N Halbbrücken (beispielsweise für N Phasen) der Leistungsstufe ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann mindestens 2N Ausgänge umfassen. Jeder Halbbrücke kann jeweils ein Paar der Ausgänge zugeordnet sein. Jedes Paar der Ausgänge kann dazu ausgebildet sein, der jeweiligen Halbbrücke zugeordnete Schalter (vorzugsweise Halbleiterschalter, beispielsweise einen high-side- Halbleiterschalter und einen low-side-Halbleiterschalter) der Leistungsstufe anzusteuern.
Die Vorrichtung kann mindestens zwei Abschaltwege umfassen, deren Eingangskoppler zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang in Reihe geschaltet sind.
Das Sicherheitsfunktionssignal kann ein Signal zur sicheren Drehmoment- Unterbrechung (kurz: STO-Signal) der elektrischen Maschine sein. Das STO- Signal und/oder die Vorrichtung können gemäß der Europäischen Norm IEC 61800-5-2:2007 und/oder der Stoppkategorie 0 oder 1 der Europäischen Norm 60204 ausgebildet sein.
Die elektrische Maschine kann als Motor und/oder als Generator eingesetzt oder einsetzbar sein. Die Freischaltung kann (beispielsweise beim Motor) ein Antriebsdrehmoment unterbrechen und/oder (beispielsweise beim Generator) ein Bremsmoment unterbrechen.
Die elektrische Maschine kann ein Elektromotor, vorzugsweise ein Asynchronmotor sein. Alternativ oder ergänzend kann die elektrische Maschine eine Drehstrommaschine sein.
Die Vorrichtung kann ferner einen Wandler oder Transformator umfassen, der dazu ausgebildet ist, eine von einer Steuereinheit zur Überwachung der Freischaltung und/oder einem Modulator zum Erzeugen des Modulationssignals galvanisch entkoppelte Versorgungspannung an den Eingangskopplers und/oder an die Modulationslogikeinheit und/oder an den Ausgangs (beispielsweise den Optokoppler des Ausgangs) auszugeben oder bereitzustellen.
Das Sicherheitsfunktionssignal oder der erste Eingang kann eine Versorgungsspannung des Eingangskopplers oder der Eingangskoppler und/oder eine Versorgungsspannung der Modulationslogikeinheit oder der Modulationslogikeinheiten speisen (beispielsweise bereitstellen).
Alternativ oder ergänzend kann eine Versorgungsspannung des Eingangskopplers oder jedes Eingangskopplers und/oder eine Versorgungsspannung der Modulationslogikeinheit oder jeder Modulationslogikeinheit unabhängig vom Sicherheitsfunktionssignal (beispielsweise unabhängig vom Anliegen oder Fehlen des Sicherheitsfunktionssignals) ausgegeben oder bereitgestellt sein. Alternativ oder ergänzend kann eine Versorgungsspannung des Eingangskopplers oder jedes Eingangskopplers und/oder eine Versorgungsspannung der Modulationslogikeinheit oder jeder Modulationslogikeinheit galvanisch entkoppelt sein von einer Betriebsspannung eines das Modulationssignal erzeugenden Modulators und/oder eines das freischaltbare Modulationssignal am Ausgang ausgebenden Ausgangskopplers (beispielsweise eines Optokopplers).
Der oder jeder galvanisch trennende Eingangskoppler des Sicherheitsfunktionssignals und/oder die galvanische Trennung des Modulationssignals kann eine optische, induktive und/oder kapazitive Signalkopplung aufweisen.
Der oder jeder Abschaltweg kann ferner einen Filter umfassen. Der Filter kann zwischen den Eingangskoppler und die Modulationslogikeinheit geschaltet sein. Der Filter kann einen Verstärker umfassen. Der Verstärker kann das galvanisch getrennt übertragene Sicherheitsfunktionssignal verstärken, beispielsweise auf eine Spannung zur Ansteuerung der Leistungsstufe und/oder auf eine Spannung von mehr als 100 V oder mehr als 200 V. Alternativ oder ergänzend kann der Filter einen Tiefpass umfassen. Der Tiefpass kann das verstärkte Sicherheitsfunktionssignal filtern. Alternativ oder ergänzend kann der Filter einen Schmitt-Trigger umfassen. Der Schmitt-Trigger kann das verstärkte und/oder gefilterte Sicherheitsfunktionssignal mit einem hysteretischen Signalverlauf ausgeben, beispielsweise an die Modulationslogikeinheit.
Eine Zeitkonstante (beispielsweise eine Zeitcharakteristik oder Filterlänge) des Tiefpass kann unabhängig von einer Spannung des Sicherheitsfunktionssignals sein.
Der oder jeder Abschaltweg kann ferner eine Testlogikeinheit umfassen. Die Testlogikeinheit kann zwischen den Eingangskoppler und der Modulationslogikeinheit geschaltet sein. Die Testlogikeinheit kann eingangsseitig das übertragene Sicherheitsfunktionssignal und ein Testsignal logisch verknüpft (beispielsweise gemäß einer Und-Verknüpfung).
Die Vorrichtung kann ferner eine Steuereinheit umfassen, die dazu ausgebildet ist, das Testsignal zur Unterbrechung des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals (beispielsweise eine logische Null) zu erzeugen und in Reaktion auf das Testsignal an einem Signalabgriff an der Modulationslogikeinheit oder am Ausgang einen Signalverlauf zu überwachen. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, eine Anweisung zum Abschalten des Modulationssignals an einen das Modulationssignal erzeugenden Modulator auszugeben, falls der überwachte Signalverlauf nicht in einem vorgegebenen Zeitfenster der Freischaltung der Ansteuerung entspricht.
Die Vorrichtung kann ferner einen Modulator-Abschaltweg umfassen. Der Modulator-Abschaltweg oder die Vorrichtung kann einen das Modulationssignal erzeugenden Modulator umfassen. Der Modulator-Abschaltweg kann ferner einen Eingangskoppler umfassen, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen als (beispielsweise logisch invertierte) Abschaltanweisung an den Modulator zu übertragen. Der Modulator kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf ein Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals das Modulationssignal abzuschalten.
Die Vorrichtung kann ferner ein Modulator umfassen, der dazu ausgebildet ist, das mindestens eine Modulationssignal zu erzeugen. Der Modulator kann in einem eigenen Abschaltweg (dem Modulator-Abschaltweg) mit dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal beauflagt sein. Der Modulator kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf das Entfallen (d.h. das Fehlen) des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals die Erzeugung des mindestens einen Modulationssignals zu unterbrechen (d.h. abzuschalten).
Die Vorrichtung kann ferner einen Steuereinheit-Abschaltweg umfassen. Der Steuereinheit-Abschaltweg oder die Vorrichtung kann eine Steuereinheit umfassen. Der Steuereinheit-Abschaltweg kann ferner einen Eingangskoppler umfassen, der eingangsseitig beispielsweise zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen an die Steuereinheit zu übertragen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf ein Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals einen Signalverlauf an einem Signalabgriff an der Modulationslogikeinheit oder am Ausgang zu überwachen. Beispielsweise kann die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet sein, eine Anweisung zum Abschalten des Modulationssignals an einen das Modulationssignal erzeugenden Modulator auszugeben, falls der überwachte Signalverlauf nicht in einem vorgegebenen Zeitfenster der Freischaltung der Ansteuerung entspricht.
Die Vorrichtung kann ferner einen Flalte-Abschaltweg (auch: Brems- Abschaltweg) umfassen. Der Flalte-Abschaltweg kann eine elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung und einen Eingangskoppler umfassen, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang und den zweiten Eingang geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang und vom zweiten Eingang an die elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung zu übertragen. Die elektromechanische Bremse kann dazu ausgebildete sein, beim Entfallen des übertragene Sicherheitsfunktionssignals ein Bremsmoment an einer Welle der elektrischen Maschine zu erzeugen, oder die elektromechanische Drehverriegelung kann dazu ausgebildet sein, beim Entfallen des übertragene Sicherheitsfunktionssignals ein Haltemoment an einer Welle der elektrischen Maschine zu erzeugen.
Ein zweiter Aspekt betrifft einen Frequenzumrichter zum Antrieb eines Elektromotors. Der Frequenzumrichter umfasst eine Leistungsstufe, die dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe mindestens eines freischaltbaren Modulationssignals mindestens eine Phase des Elektromotors (beispielsweise Schalter einer Halbbrücke der Leistungsstufe) zu schalten oder zu erzeugen. Ferner umfasst der Frequenzumrichter einen Modulator, der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Modulationssignal zur Ansteuerung der Leistungsstufe zu erzeugen. Ferner umfasst der Frequenzumrichter eine Vorrichtung zur Freischaltung der Ansteuerung der Leistungsstufe gemäß dem ersten Aspekt.
Gemäß dem ersten Aspekt kann die Vorrichtung dazu ausgebildet sein, das mindestens eine Modulationssignal des Modulators jeweils mit dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal logisch verknüpft zur Ausgabe des freischaltbaren Modulationssignals.
Hierin umfasst der Begriff Frequenzumrichter auch einen Wechselrichter mit (beispielsweise nach Maßgabe des mindestens einen Modulationssignals) veränderlicher Frequenz. Dabei kann der Wechselrichter je nach Anzahl der von der Leistungsstufe geschalteten Phasen ein einphasiger, zweiphasiger, dreiphasiger oder mehrphasiger Wechselrichter sein. io
Der Frequenzumrichter kann mit Gleichspannung oder Wechselspannung betrieben sein. Beispielsweise kann die Leistungsstufe eingangsseitig mit einer Gleichspannung als Versorgungspannung beaufschlagt oder beaufschlagbar sein. Alternativ oder ergänzend kann der Frequenzumrichter einen Gleichrichter (beispielsweise einen Zwischenkreis mit Gleichrichter) umfassen, der eingangsseitig mit einer Wechselspannung als Versorgungspannung beaufschlagt oder beaufschlagbar ist. Ausgangsseitig kann der Gleichrichter (oder der Zwischenkreis) mit dem Eingang der Leistungsstufe elektrisch verbunden sein.
Die Frequenzumrichter kann ein Drehzahlstarter sein oder in einen Drehzahlstarter integrierbar sein. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, den Modulator zu gemäß einem Anlassverfahren des Elektromotors zu steuern und/oder den Modulator zum Reversieren des Elektromotors zu steuern.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur
Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur
Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; Fign. 3A bis 3D jeweils ein schematisches Blockschaltbild eines Beispiels eines Eingangskopplers, der in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Freischaltung einsetzbar sein kann;
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur
Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur
Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur
Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur
Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Vorrichtung zur Freischaltung einer Ansteuerung einer allgemein mit Bezugszeichen 200 bezeichneten Leistungsstufe. Die Leistungsstufe 200 kann zum Antrieb oder zur Stromabnahme einer allgemein mit Bezugszeichen 300 bezeichneten elektrischen Maschine, d.h. eine Elektromotors bzw. eines Elektrogenerators, ausgebildet oder einsetzbar sein. Das erste Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 umfasst einen ersten Eingang 102 zur Erfassung eines Sicherheitsfunktionssignals und einen zweiten Eingang 104 zur Erfassung eines Referenzpotentials des Sicherheitsfunktionssignals. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 im Fall des ersten Ausführungsbeispiels einen Abschaltweg 106 der Ansteuerung. Andere Ausführungsbeispiele können zwei oder mehr Abschaltwege 106 umfassen.
Jeder Abschaltweg 106 umfasst jeweils einen Eingangskoppler 110. Der Eingangskoppler 110 ist eingangsseitig zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet. Der Eingangskoppler 110 ist dazu ausgebildet, das Sicherheitsfunktionssignal (optional in einer ersten Variante jedes Ausführungsbeispiels galvanisch getrennt) vom ersten Eingang 102 und vom zweiten Eingang 104 zu übertragen.
Ferner umfasst jeder Abschaltweg 106 jeweils mindestens einen Ausgang 130 zur Ansteuerung eines Schalters einer Flalbbrücke der Leistungsstufe 200 (beispielsweise einer Phase der Leistungsstufe 200), vorzugsweise jeweils zur Ansteuerung eines positiven oder negativen Abschnitts der Phase und/oder eines Halbleiterschalters (beispielsweise eines IGBTs) am high-side-Zweig oder am low-side Zweig der Leistungsstufe 200.
Ferner umfasst jeder Abschaltweg 106 jeweils eine Modulationslogikeinheit 120, die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter (beispielsweise dem positiven oder negativen Abschnitt der Phase) zugeordnetes Modulationssignal 166 und das vom jeweiligen Eingangskoppler 110 übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang als freischaltbares Modulationssignal 108 auszugeben. Vorzugsweise weist das Modulationssignal zwei Logikpegel auf und/oder entspricht einer Puls-Weiten- Modulation (PWM).
Das in der Fig. 1 gezeigte Symbol des Eingangskopplers 110 repräsentiert allgemein einen galvanisch trennenden oder nicht galvanisch trennenden Eingangskoppler 110. Beispielsweise kann der Eingangskoppler 110 wie nachstehend in einer der Fign. 3A bis 3D schematisch gezeigt aufgebaut sein.
Der Eingangskoppler 110 kann in der ersten Variante, beispielsweise wie nachstehend in der Fig. 3A schematisch gezeigt, das Sicherheitsfunktionssignal vom jeweiligen Abschaltweg 106 galvanisch trennen. Alternativ oder ergänzend kann in einer zweiten Variante das Modulationssignal 166, beispielsweise entsprechend der Fig. 3A, von einem externen Modulator 160 galvanisch getrennt sein. Dadurch können in jeder Variante die Eingänge 102 und 104 des Sicherheitsfunktionssignals (auch bei einer Fehlfunktion einer der Komponenten des jeweiligen Abschaltwegs 106 oder des externen Modulators 160) vor einer gefährdenden Berührungsspannung geschützt sein. Ist der Eingangskoppler 110 nicht galvanisch trennend, beispielsweise wie nachstehend in einer der Fign. 3B bis 3D schematisch gezeigt, muss das Modulationssignal 166 zwingend galvanisch getrennt sein, da für die elektrische Sicherheit entweder der Eingangskoppler 110 oder der Anschluss des externe Modulators 160 ein galvanisch trennendes Bauteil sein muss (z.B. ein Optokoppler).
Entfällt das Sicherheitsfunktionssignal wird eine Versorgungsspannung des Eingangskopplers 110 und/oder der Modulationslogikeinheit 120 vorzugsweise nicht gesteuert oder nicht unterbrochen. Alternativ oder ergänzend kann der Ausfall der Versorgungsspannung in jedem Abschaltweg 106 wirkungsgleich sein zum Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals, d.h. die Ansteuerung wird beim Ausfall der Versorgungsspannung Freigeschalten.
In jedem Ausführungsbeispiel kann der eine oder die mindestens zwei Abschaltwege 106 eine sichere Drehmoment-Unterbrechung (d.h. eine "Safe Torque Off oder STO-Funktion) realisieren.
In jedem Ausführungsbeispiel kann der Ausgang 130 einen Ausgangskoppler zur galvanisch getrennten Übertragung des freischaltbaren Modulationssignals 108 an die Leistungsstufe 200 umfassen. Der Ausgangskoppler kann einen Optokoppler (d.h. eine optische Signalkopplung) oder eine induktive und/oder kapazitive Signalkopplung umfassen.
Während das erste Ausführungsbeispiel einen Abschaltweg 106 umfasst können weitere Ausführungsbeispiele, beispielsweise in Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels, zwei oder mehr Abschaltwege 106 aufweisen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiele kann die Vorrichtung 100 zur Ansteuerung einer Leistungsstufe 300 für einphasigen Wechselstrom zwei Abschaltwege 106 für den oberen (fachsprachlich auch: "high-side") bzw. unteren (fachsprachlich auch: "low-side") Zweig einer Halbbrücke umfassen. Optional kann ein dritter Abschaltweg für einen die Vorrichtung überwachenden oder prüfenden Mikrocontroller vorgesehen sein.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiele kann die Vorrichtung 100 zur Ansteuerung einer Leistungsstufe 300 für Drehstrom sechs Abschaltwege 106 für den oberen (fachsprachlich auch: "high-side") bzw. unteren (fachsprachlich auch: "low-side") Zweig von jeweils drei Halbbrücke (fachsprachlich auch: B6- Brücke) umfassen. Optional kann ein siebter Abschaltweg für einen die Vorrichtung überwachenden oder prüfenden Mikrocontroller vorgesehen sein.
In jedem Ausführungsbeispiel können zur Realisierung einer STO-Funktion, beispielsweise in einem Drehzahlstarter des Elektromotors 300, ein oder mindestens zwei getrennte Abschaltwege 106 vorgesehen sein.
Am ersten Eingang 102 kann ein "STO+"-Signal (beispielsweise mit einer Nennspannung von 24 V) erfasst und/oder angeschlossen werden. Am zweiten Eingang 104 kann ein dazugehörenden Referenzpotentials oder Bezugspotenzials, d.h. ein "STO-"-Signals, (beispielsweise mit einer Nennspannung von 0 V) erfasst und/oder angeschlossen werden. Fällt eines der beiden Signale weg (beispielsweise indem der entsprechende Eingang potentialfrei wird oder eine elektrische Verbindung des entsprechenden Eingangs hochohmig wird), so fällt in jedem Abschaltweg das übertragene Sicherheitsfunktionssignal weg, d.h. es wird die Sicherheitsfunktion ausgelöst.
In einer ersten Variante jedes Ausführungsbeispiels sind im Eingangskoppler 110 diese beiden Signale, STO+ und STO-, jeweils mittels eines Optokopplers 110 von dem jeweiligen Abschaltweg 106 galvanisch getrennt. Der oder die Abschaltwege 106 können auch als Kanal bzw. Kanäle bezeichnet werden.
Die Leistungsstufe 200 wird von einem positiven Anschluss 202 (DC+) und einem negativen Anschluss 204 (DC-) einer Gleichspannung (beispielsweise eines Gleichspannungsnetzes oder einer gleichgerichteten Spannung) gespeist sein. Die Leistungsstufe schaltet die Gleichspannung nach Maßgabe des Modulationssignals 166 zur Erzeugung der entsprechenden (d.h. dem Modulationssignal 166 zugeordneten) Phase für die elektrische Maschine 300.
Die Vorrichtung 100 kann als ein Schaltungsteil der funktionalen Sicherheit, vorzugsweise als ein Schaltungsteil der Sicherheitsfunktion STO, realisiert sein.
Ferner zeigt die Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines allgemein mit Bezugszeichen 400 bezeichneten Frequenzumrichters zum Antrieb eines Elektromotors 300.
Das erste Ausführungsbeispiel des Frequenzumrichters 400 umfasst eine Leistungsstufe 200, die dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe mindestens eines freischaltbaren Modulationssignals 108 mindestens eine Phase des Elektromotors 300 zu schalten oder zu erzeugen. Hierzu kann die Leistungsstufe 200 je Phase eine Halbleiterbrücke mit jeweils zwei Schaltern (beispielsweise Halbleiterschalter) umfassen. Ferner umfasst der Frequenzumrichters 400 einen Modulator 160, der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Modulationssignal 166 zur Ansteuerung der mindestens einen Halbleiterbrücke (beispielsweise der jeweiligen Schalter der Halbleiterbrücke) der Leistungsstufe 200 zu erzeugen. Der Frequenzumrichters 400 umfasst ferner eine Vorrichtung 100 zur Freischaltung der Ansteuerung der Leistungsstufe 200 gemäß einem der hierin beschrieben Ausführungsbeispiele, wobei die Vorrichtung 100 das mindestens eine Modulationssignal 166 des Modulators 160 jeweils mit dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal logisch verknüpft zur Ausgabe des freischaltbaren Modulationssignals 108 der jeweiligen Phase (beispielsweise der jeweiligen Schalter der Halbleiterbrücke der Leistungsstufe 200).
Jedes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 und/oder des Frequenzumrichters 400 kann einen Wandler oder Transformator 150 (beispielsweise einen Gleichspannungswandler) mit galvanischer Trennung umfassen. Beispielsweise weist der Transformator 150 einen ersten galvanisch entkoppelten Ausgang 152 auf, an dem der Transformator 150 eine Versorgungsspannung für die Vorrichtung 100 bereitstellt, vorzugsweise für den Eingangskoppler 110 und/oder für die Modulationslogikeinheit 120 und/oder den Ausgang 130.
Ein optionaler zweiter entkoppelter Ausgang 154 des Transformators 150 stellt die Versorgungsspannung des Ausgangs 130 und/oder eine Betriebsspannung an den Eingängen 162 und 164 des Modulators 160 und/oder eine Betriebsspannung einer Steuereinheit (beispielsweise eines Mikrocontrollers) der Vorrichtung 100 bereit.
Vorzugsweise erfolgt die Freischaltung der Ansteuerung ausschließlich über den oder die Abschaltwege 106 (oder einen der weiteren Abschaltwege 107A und/oder 107B), während die Versorgungs- und Betriebsspannungen der anderen Komponenten der Vorrichtung 100 und/oder des Frequenzumrichters 400 nicht gesteuert, beispielsweise nicht unterbrochen, werden wenn das Sicherheitsfunktionssignal entfällt.
Elektrische Antriebe müssen Sicherheitsfunktionen erfüllen.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 100 oder des Frequenzumrichters 400 können eine Sicherheitsfunktion zur Drehmoment-Unterbrechung (fachsprachlich auch als "Safe Torque Off" oder STO bezeichnet) realisieren, indem die Leistungsstufe durch das freischaltbare Modulationssignal 108 (beispielsweise mit einer Spannung von 0 V) angesteuert wird, eine Stromversorgung des Elektromotors 300 als Antrieb sofort zu unterbrechen. Die Sicherheitsfunktion "STO" des den Antrieb 300 ansteuernden Frequenzumrichters 400 kann den Strom und damit das Drehmoment des Antriebs unterbrechen.
Der Antrieb 300 kann nach der STO-Abschaltung mittels der Vorrichtung 100 bzw. des Frequenzumrichters 400 kein Drehmoment mehr erzeugen. Mit der Unterbrechung des Stroms kann ein Drehmoment des Antriebs 300 mit sofortiger Wirkung entfallen und der Antrieb 300 ungesteuert stillgesetzt werden.
Die Sicherheitsfunktion STO kann der Stoppkategorie 0 der Europäischen Norm EN 60204 entsprechen.
Da der Antrieb 300 bei der STO-Abschaltung kein Bremsmoment mehr elektrisch erzeugen kann, sind zur Bremsung des Antriebs 300 gesonderte Maßnahmen wie eine mechanische Bremse vorteilhaft, beispielsweise damit kein unerwünschter Nachlauf oder kein Überschreiten von Endlagen erfolgt. Bei Einwirken äußerer Kräfte (wie beispielsweise einer angehobenen Masse oder von Federkräfte) kann eine mechanische Bremse oder eine mechanische Sperre dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals ein Bremsmoment oder ein Haltemoment für eine Welle des Elektromotors 300 zu erzeugen, vorzugsweise um die bei einem momentenfreien Antrieb 300 mögliche Lageveränderung zu verhindern.
Beispielsweise kann die Vorrichtung 100 einen Halte-Abschaltweg umfassen.
Der Halte-Abschaltweg umfasst einen Eingangskoppler 110. Der Eingangskoppler 110 ist eingangsseitig zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet. Der Eingangskoppler 110 ist dazu ausgebildet, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang 102 und vom zweiten Eingang 104 an eine elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung zu übertragen. Entfällt das übertragene Sicherheitsfunktionssignal, erzeugt die Bremse das Bremsmoment oder die Drehverriegelung das Haltemoment an einer Welle der elektrischen Maschine 300.
In jedem Ausführungsbeispiel kann die elektrische Maschine 300 ein Elektromotor sein. Der Elektromotor 300 kann ein dreiphasiger Asynchronmotor sein, beispielsweise mit einer Leistungsaufnahme von 50 W bis 3 kW.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung 100 und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das zweite Ausführungsbeispiel kann für sich oder als Weiterbildung eines der vorgenannten Ausführungsbeispiele, beispielsweise des ersten Ausführungsbeispiels, realisierbar sein.
In einer optionalen Variante jedes Ausführungsbeispiels kann der Eingangskoppler 110 (mindestens) einen Transistor umfassen, beispielsweise anstatt eines Optokopplers (d.h. der Transistor muss kein Foto-Transistor sein). Somit ist das übertragene Sicherheitsfunktionssignal (beispielsweise in der Vorrichtung 100) nicht galvanisch getrennt vom am ersten Eingang 102 und/oder zweiten Eingang 104 anliegenden Sicherheitsfunktionssignal.
Alternativ oder ergänzend kann eine galvanische Trennung 112 (beispielsweise ein Optokoppler oder eine induktive und/oder kapazitive Signalkopplung) das Modulationssignals 166 (beispielsweise in der Vorrichtung 100 und/oder an einem Modulationssignaleingang der Vorrichtung 100) von einem Modulator 160, der das Modulationssignal erzeugt, galvanisch trennen. Dies kann erforderlich sein für die Gewährleistung der elektrischen Sicherheit.
In jedem Ausführungsbeispiel (beispielsweise bei dem keine galvanische Trennung am Eingangskoppler 110 vorgesehen ist) kann eine Anforderung an den Transformator 150 zur Schutztrennung (galvanischen Trennung) bestehen oder erhöht sein (beispielsweise gegenüber einem Ausführungsbeispiel mit galvanischer Trennung am Eingangskoppler 110). Der Transformator 150 kann isolationsüberbrückendes Bauteil für die elektrische Sicherheit sein.
Fign. 3A bis 3D zeigt jeweils ein schematisches Blockschaltbild eines Beispiels eines Eingangskopplers, der in jedem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 einsetzbar sein kann. Die schematischen Blockschaltbilder sind vereinfacht oder können ein Schaltungsprinzip angeben, das beispielsweise durch weitere Widerstände und Kapazitäten oder als Teil einer größeren Schaltung realisierbar sein kann.
Während die Beispiele der Fign. 3A bis 3D für den Eingangskoppler 110 (d.h. den einen Eingangskoppler 110 oder jeden der Eingangskoppler 110) beschrieben sind, können die Beispiel (alternativ oder ergänzend zum Eingangskoppler 110) beim Ausgang 130 und/oder zur optionalen galvanischen Trennung 112 des Modulationssignals 166 eingesetzt sein.
Ein erstes Beispiel des Eingangskopplers 110, wie beispielsweise in der Fig. 3A gezeigt, umfasst einen Optokoppler zur Signalkopplung. Der Optokoppler kann eine Leuchtdiode umfassen, die (ggf. in Reihe mit weiteren Eingangskopplern) zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet ist. Der Optokoppler kann ferner einen von der Leuchtdiode beleuchtbaren Foto- Transistor umfassen, dessen Ausgang galvanisch getrennt vom eingangsseitigen Sicherheitsfunktionssignal überträgt.
Ein zweites Beispiel des Eingangskopplers 110, wie beispielsweise in der Fig. 3B gezeigt, umfasst einen Differenzverstärker zur Signalkopplung. Der Differenzverstärker kann parallel zu einem Widerstand geschaltet sein, der (ggf. in Reihe mit weiteren Eingangskopplern 110) zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet ist. Der Differenzverstärker kann ausgangsseitig das Sicherheitsfunktionssignal übertragen. Ein drittes Beispiel des Eingangskopplers 110, wie beispielsweise in der Fig. 3C gezeigt, umfasst einen Transistor (vorzugsweise keinen Foto-Transistor) zur Signalkopplung. Der Transistor kann eingangsseitig (optional parallel zu einem wie im zweiten Beispiel geschalteten Widerstand) zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet sein. Der Transistor kann ausgangsseitig das Sicherheitsfunktionssignal übertragen.
Ein viertes Beispiel des Eingangskopplers 110, wie beispielsweise in der Fig. 3D gezeigt, umfasst einen Stromspiegel zur Signalkopplung. Der Stromspiegel kann eingangsseitig (optional parallel zu einem wie im zweiten Beispiel geschalteten Widerstand) zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet sein. Der Stromspiegel kann ausgangsseitig das Sicherheitsfunktionssignal übertragen.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung 100 und eines entsprechenden Frequenzumrichters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das dritte Ausführungsbeispiel kann für sich oder als Weiterbildung eines der vorgenannten Ausführungsbeispiele, beispielsweise des ersten und/oder zweiten Ausführungsbeispiels, realisierbar sein.
Das dritte Ausführungsbeispiel speist aus dem Sicherheitsfunktionssignal, vorzugsweise aus dem ersten Eingang 102, die Versorgungsspannung mindestens einer oder aller Komponente des jeweiligen Abschaltwegs (d.h. Kanals) 106 oder aller Abschaltwege 106, beispielsweise ergänzend oder anstatt eines Transformators 150. Die gespeisten Komponenten können den Eingangskoppler 110 und/oder die Modulationslogikeinheit 120 umfassen.
Beispielsweise wird der Kanal 106 aus dem digitalen Eingang 102-104 des Sicherheitsfunktionssignals (STO) versorgt und nicht mehr über den Transformator 150. Im Vergleich dazu kann ein Ausführungsbeispiel mit dem Transformator 150 eine Stromaufnahme am digitalen Eingang 102-104 reduzieren.
Der Ausgang 130 (d.h. , der Ausgangskoppler am Ausgang 130) wird vorzugsweise nicht vom Sicherheitsfunktionssignal gespeist. Denn für die elektrische Sicherheit darf die ausgangsseitige Versorgung nicht mit der Eingangsseite galvanisch verbunden sein.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung 100 und eines entsprechenden Frequenzumrichters 400 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Das vierte Ausführungsbeispiel kann für sich oder als Weiterbildung eines der vorgenannten Ausführungsbeispiele, beispielsweise des ersten bis dritten Ausführungsbeispiels, realisierbar sein.
Das vierte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 kann, beispielsweise ergänzend zum dritten Ausführungsbeispiel, einen (vorzugsweise galvanisch trennenden) Wandler oder Transformator 150 (beispielsweise einen DC-/DC- Wandler) zur Versorgung mindestens einer oder aller Komponente des jeweiligen Abschaltwegs (d.h. Kanals) 106 oder aller Abschaltwege 106 umfassen. Der (vorzugsweise galvanisch trennende) Transformator 150 kann bezüglich des Kanals 106 eine externe Versorgung sein.
Falls der Wandler oder Transformator 150 seine Eingänge 202 und 204 nicht galvanisch trennt von einem die Komponenten speisenden Ausgang 152, muss eine ausgangsseitige Versorgung, d.h., eine Speisung eines (das freischaltbare Modulationssignal 108 galvanisch trennenden) Ausgangskopplers am Ausgang 130 mittels des Transformators 150 unterbleiben, denn der Ausgang 130 darf nicht galvanisch mit der Eingangsseite verbunden sein. D.h. die entsprechende Signalleitung 152 zum Ausgang 130 muss dann entfallen.
Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung 100 und eines entsprechenden Frequenzumrichters 400 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Das fünfte Ausführungsbeispiel kann für sich oder als Weiterbildung eines der vorgenannten Ausführungsbeispiele, beispielsweise des ersten bis vierten Ausführungsbeispiels, realisierbar sein.
Das fünfte Ausführungsbeispiel umfasst mindestens zwei Abschaltwege 106, beispielsweise zwei Abschaltwege für jeweils eine von der Leistungsstufe 200 erzeugte Phase zum Antrieb des Elektromotors 300 oder zwei Abschaltwege für alle (beispielsweise drei) von der Leistungsstufe 200 erzeugten Phasen zum Antrieb des Elektromotors 300. Als Modulationssignal 166 für die mindestens eine Modulationslogikeinheit 120 des ersten Abschaltwegs 106 (beispielsweise je Phase) erzeugt der Modulator 160 ein pulsweiten-moduliertes Signal 166 zur Erzeugung des Phasenabschnitts positiver Spannung (beispielsweise positiv bezüglich einer zeitlich gemittelten Spannung der jeweiligen Phase) oder zur Ansteuerung eines oberen (auch: high-side) Zweigs einer Halbbrücke zur Erzeugung der jeweiligen Phase in der Leistungsstufe 200. Ferner erzeugt der Modulator 160 als das Modulationssignal 168 der mindestens einen Modulationslogikeinheit 120 des zweiten Abschaltwegs 106 (beispielsweise je Phase) ein pulsweiten-moduliertes Signal 168 zur Erzeugung des Phasenabschnitts negativer Spannung (beispielsweise bezüglich einer zeitlich gemittelten Spannung der jeweiligen Phase) oder zur Ansteuerung eines unteren (auch: low-side) Zweigs der Halbbrücke zur Erzeugung der jeweiligen Phase in der Leistungsstufe 200.
In jedem Ausführungsbeispiel können die Eingänge 102 und/oder 104 kompatibel zu Testimpulsen von Sicherheitsschaltgeräten sein. Beispielsweise werden die Testimpulse herausgefiltert, vorzugsweise in jedem Abschaltweg 106 (und ggf. in jedem der weiteren Abschaltwege 107A und/oder 107B). Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 100 und/oder des Frequenzumrichters 400 können sowohl für positive als auch negative Testimpulse ausgebildet sein. Vorzugsweise ist eine Filterzeit zum Herausfiltern der Testimpulse unabhängig von einer Spannungshöhe an den Eingängen 102 und/oder 104. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung 100 mindestens einen Modulator- Abschaltweg 107A. Jeder Modulator-Abschaltweg 107A umfasst jeweils einen Eingangskoppler 110. Der Eingangskoppler 110 ist eingangsseitig zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet, beispielsweise in Reihe mit den Eingangskopplern 110 der Abschaltwege 106. Der Eingangskoppler 110 des Modulator-Abschaltwegs 107A ist dazu ausgebildet, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang 102 und vom zweiten Eingang 104 als (beispielsweise logisch invertierte) Abschaltanweisung 142 zum Abschalten der Modulationssignale 166 und 168 an den Modulator 160 zu übertragen. Die Vorrichtung 100, beispielsweise der Modulator-Abschaltweg 107A, kann den von dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal gesteuerten Modulator 160 umfassen.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung 100 und eines entsprechenden Frequenzumrichters 400 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Das sechste Ausführungsbeispiel kann für sich oder als Weiterbildung eines der vorgenannten Ausführungsbeispiele, beispielsweise des ersten bis fünften Ausführungsbeispiels, realisierbar sein.
Vorzugsweise umfasst jeder Abschaltweg 106 einen Filter 122, beispielsweise einen Tiefpass-Filter 122. Innerhalb des jeweiligen Abschaltwegs 106 kann der Filter 122 zwischen dem Eingangskoppler 110 und der Modulationslogikeinheit 120, beispielsweise zwischen einer Testlogikeinheit 121 und der Modulationslogikeinheit 120 geschaltet sein.
Durch die galvanische Trennung mittels des jeweiligen Eingangskopplers 110 ist es möglich, den oder die Abschaltwege 106 auf dem berührgefährlichen Potenzial der Ansteuerung der Leistungsstufe 200 zu realisieren. Dadurch kann die Vorrichtung 100 einen sich auf diesem Potenzial befindlichen Mikrocontroller 140 für Diagnosezwecke und/oder in einem Mikrocontroller-Abschaltweg 107B (beispielsweise in einem dritten Abschaltweg oder in einem weiteren Abschaltweg) nutzen. Beispielsweise kann das übertragene Sicherheitsfunktionssignal innerhalb des Abschaltwegs 106 durch eine Spannung von mehr als 100 V repräsentiert sein.
Der Filter 122 kann einen Verstärker 124 umfassen, der dazu ausgebildet ist, das übertragene Sicherheitsfunktionssignal auf das Potenzial der Ansteuerung der Leistungsstufe 200 zu verstärken.
Alternativ oder ergänzend kann der Filter 122 einen Tiefpass 126 und/oder einen Schmitt-Trigger 128, vorzugsweise invertierender Schmitt-Trigger 128 umfassen.
Entfällt das Sicherheitsfunktionssignal beim in Fig. 7 gezeigten sechsten Ausführungsbeispiel leitet ein erster Abschaltweg 106 ein erstes PWM-Signal (als erstes Modulationssignal 166) des Modulators 160 (als High-Side-Treiber) nicht weiter. Ein zweiter Abschaltweg 106 leitet ein zweites PWM-Signale (als zweites Modulationssignal 168) des Modulators 160 (als Low-Side-Treiber) nicht weiter.
Jedes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 kann ferner einen Mikrocontroller-Abschaltweg 107B umfassen, beispielsweise als ein dritter Abschaltweg und/oder wie schematisch in Fig. 7 gezeigt. Der Mikrocontroller- Abschaltweg 107B umfasst einen Eingangskoppler 110. Der Eingangskoppler 110 ist eingangsseitig zwischen den ersten Eingang 102 und den zweiten Eingang 104 geschaltet, beispielsweise in Reihe mit den Eingangskopplern 110 der Abschaltwege 106 und/oder dem Eingangskoppler 110 des Abschaltwegs 1 07A.
Der Eingangskoppler 110 des Mikrocontroller-Abschaltwegs 107B ist dazu ausgebildet, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang 102 und vom zweiten Eingang 104 an einen Mikrocontroller 140 des Abschaltwegs 107B der Vorrichtung 100 zu übertragen. Der Mikrocontroller 140 kann dazu ausgebildet sein, in Reaktion auf das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals an einem Signalabgriff am Ausgang 130 jedes Abschaltwegs 106 zu überprüfen, ob das freischaltbare Modulationssignal tatsächlich ausgeschaltet ist, beispielsweise auf 0 V oder DC- gesetzt ist.
Alternativ oder ergänzend ist der Mikrocontroller 140 dazu ausgebildet, in Reaktion auf das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals eine Abschaltanweisung 142 zum Abschalten des Modulationssignals an den Modulator 160 auszugeben, beispielsweise eine Abschaltanweisung 142 zum Abschalten der Modulationssignale 166 und 168, an den Modulator 160 zu übertragen. Beispielsweise schaltet der Mikrocontroller 140 die PWM-Signale 166 und 168 ab.
Die Vorrichtung 100, beispielsweise der Modulator-Abschaltweg 107A, kann den von dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal gesteuerten Modulator 160 umfassen. Alternativ oder ergänzend kann der Modulator 160 im Frequenzumrichter 400 außerhalb der Vorrichtung 100 angeordnet sein.
In jedem Ausführungsbeispiel können, um die Rückwirkungsfreiheit der betrieblichen Funktionen zur funktionalen Sicherheit (beispielsweise der Funktionen der Vorrichtung 100) zu gewährleisten, sämtliche Signale (beispielsweise das übertragene Sicherheitsfunktionssignal und/oder das Modulationssignal 166 oder 168 des Modulators 160 und/oder das freischaltbare Modulationssignal 108) und/oder und die Versorgungsspannung des ersten Ausgang 152 des Transformators 150 und/oder die Betriebsspannung des zweiten Ausgang 154 des Transformators 150 voneinander entkoppelt sein.
In jedem Ausführungsbeispiel kann zur Überprüfung der Schaltfähigkeit (beispielsweise der Modulationslogikeinheit 120 und/oder des Schmitt-Triggers 128) und/oder des zeitlichen Verhaltens der einzelnen Abschaltwege 106 (beispielsweise einer Zeitkonstante des Filters 122, vorzugsweise des Tiefpasses 124) in einem oder jedem Abschaltweg 106 eine Testlogikeinheit 121 als Testschalter eingebaut sein.
In jedem Abschaltweg 106 kann eine Testlogikeinheit 121 zwischen den Eingangskoppler 110 und der Modulationslogikeinheit 120, beispielsweise zwischen den Eingangskoppler 110 und den Filter 122, geschaltet sein. Die Testlogikeinheit 121 kann dazu ausgebildet sein, das vom Eingangskoppler 110 übertragene Modulationssignal und ein Testsignal 144 logisch zu verknüpfen, beispielsweise gemäß einer Und-Verknüpfung und dieses im Abschaltwegs 106 auszugeben, beispielsweise an den Filter 122 oder an die Modulationslogikeinheit 120.
Die Vorrichtung 100 kann eine Steuereinheit 140, beispielsweise den vorgenannten Mikrocontroller 140, zur Überprüfung der Schaltfähigkeit und/oder des zeitlichen Verhaltens umfassen.
Die Steuereinheit 140 kann dazu ausgebildet sein, mittels eines Testsignals 144 (beispielsweise einer logischen Null) das Entfallen des Sicherheitsfunktionssignals im jeweiligen Abschaltweg 106 zu simulieren. Die Steuereinheit 140 kann ferner dazu ausgebildet sein, einen Spannungsverlauf des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals an einem Signalabgriff 129 im jeweiligen Abschaltweg 106 zwischen der Testlogikeinheit 121 und der Modulationslogikeinheit 120 zu erfassen (beispielsweise abzutasten). Entfällt das übertragene Sicherheitsfunktionssignals am Signalabgriff 129 innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters nach der Ausgabe Testsignals 144 zur Simulation des entfallenen Sicherheitsfunktionssignals, ist ein Ergebnis der Überprüfung ein Betriebszustand der Vorrichtung 100. Andernfalls ist ein Ergebnis der Überprüfung ein Fehlerzustand. Im Fehlerzustand kann die Steuereinheit 140 den Fehlerzustand ausgeben (beispielsweise optisch und/oder akustisch ausgeben) und/oder die Abschaltanweisung 142 zum Abschalten des Modulationssignals 166 und/oder 168 an den Modulator 160 ausgeben (vorzugsweise unabhängig davon, ob das Sicherheitsfunktionssignal an den Eingängen 102 und 104 anliegt oder entfallen ist).
Alterativ oder ergänzend kann die Steuereinheit 140 (beispielsweise der vorgenannte Mikrocontroller 140) der Vorrichtung 100 dazu ausgebildet sein, mindestens eine der folgenden Steuerfunktionen auszuführen. Eine erste Steuerfunktion ist das Starten des Motors 300, vorzugsweise als Sanftanlauf (fachsprachlich auch: Softstart) mit Leistungsbegrenzung beim Einschalten des Motors 300. Eine zweite Steuerfunktion ist das Reversieren des Motors 300.
In jedem Ausführungsbeispiel kann die Modulationslogikeinheit 120 und/oder die Testlogikeinheit 121 mindestens ein Logikgatter (vorzugsweise ein UND-Glied) umfassen zur Realisierung der jeweiligen logischen Verknüpfung (beispielsweise einer entsprechenden booleschen Operation).
In der Darstellung der Fig. 7 sind zur besseren Übersichtlichkeit nur die Abschaltwege 106 zu zwei Schaltern einer Halbbrücke der Leistungsstufe 200 eingezeichnet. Pro Schalter wird jeweils ein Ausgangskoppler 130 (beispielsweise ein Optokoppler) benötigt. Beispielsweise benötigt man im Fall einer Drehstrom-Asynchronmaschine als elektrische Maschine 300 (d.h. drei Phasen, die jeweils von einer Halbbrücke mit zwei Schaltern angesteuert sind) insgesamt sechs Ausgangskoppler 130 (beispielsweise Optokoppler) und sechs Modulationslogikeinheiten 120. An den sechs Modulationslogikeinheiten 120 liegt jeweils ein Modulationssignal von drei Modulationssignalen 166 und drei Modulationssignalen 168 an. Die sechs Ausgangskoppler 130 geben sechs freischaltbare Modulationssignale 108 aus.
In einer ersten Variante jedes Ausführungsbeispiels können die UND-Glieder 120 (und darüber die Ausgangskoppler 130) für verschiedene Schalter der Halbbrücken an demselben Eingangskoppler 110 oder an derselben Testlogikeinheit 121 oder an demselben Filter 122 angeschlossen sein. D.h. einer oder jeder der Abschaltwege 106 kann mehr als einen Ausgangskoppler 130 umfassen. In einer zweiten Variante jedes Ausführungsbeispiels, die für verschiedene Abschaltwege 106 mit der ersten Variante kombinierbar sein kann, können verschiedene Schalter der Halbbrücken an jeweils eigenen Abschaltwegen 106 angeschlossen sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 100 mehr als zwei Abschaltwege 106 umfassen.
Die Vorrichtung 100 kann als Sicherheitsfunktion des Frequenzumrichters 400 vorgesehen oder einsetzbar sein. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung 100 eine Stromunterbrechung der Ansteuerung des Frequenzumrichters 400 bewirken.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist für Fachkundige ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
Bezugszeichenliste
Vorrichtung zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe 100
Erster Eingang eines Sicherheitsfunktionssignals, vorzugsweise eines STO-Signals 102
Zweiter Eingang eines Referenzpotentials zum Sicherheitsfunktionssignal 104
Abschaltweg 106
Modulator-Abschaltweg 107A
Steuereinheit-Abschaltweg, vorzugsweise Mikrocontroller-Abschaltweg 107B
Freischaltbares Modulationssignal 108
Eingangskoppler des Sicherheitsfunktionssignals, vorzugsweise galvanisch trennend, beispielsweise Optokoppler, oder Differenzverstärker, beispielsweise an Spannungsteiler 110 Galvanische T rennung des Modulationssignals 112
Modulationslogikeinheit, beispielsweise UND-Glied 120
Testlogikeinheit, beispielsweise UND-Glied 121
Filter, beispielsweise Tiefpass-Filter 122
Verstärker 124
Tiefpass 126
Schm itt-T rigger, vorzugsweise invertierender Schm itt-T rigger 128
Signalabgriff zur Diagnose 129
Ausgang des freischaltbaren Modulationssignals, vorzugsweise galvanisch trennender Ausgangskoppler, beispielsweise Optokoppler 130
Steuereinheit, beispielsweise Überwachung der Sicherheitsfunktion 140
Anweisung zum Abschalten der Modulationssignale 142
Testsignal 144
Wandler oder Transformator, vorzugsweise entkoppelnd beispielsweise galvanisch getrennter DC/DC-Wandler 150
Erster entkoppelter Ausgang des T ransformators 152
Zweiter entkoppelter Ausgang des T ransformators 154
Modulator, beispielsweise Mikrocontroller oder Taktgeber für PWM-Signal 160 Eingang des Betriebssignals 162
Eingang des Referenzpotentials zum Betriebssignal 164
Erstes Modulationssignal, beispielsweise PWM-Signal für positiven Phasenabschnitt und/oder für Halbleiterschalter eines high-side-Zweigs 166
Zweites Modulationssignal, beispielsweise PWM-Signal für negativen Phasenabschnitt und/oder für Halbleiterschalter eines low-side-Zweigs 168
Leistungsstufe, beispielsweise Halbbrücke, H-Brücke oder B6-Brücke 200 Erster Netzanschluss, beispielsweise positiver Anschluss zum Gleichspannungsnetz 202 Zweiter Netzanschluss, beispielsweise negativer Anschluss zum Gleichspannungsnetz 204 Elektrische Maschine, vorzugsweise Drehstrom-Asynchronmaschine 300

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (100) zur Freischaltung einer Ansteuerung einer Leistungsstufe (200) einer elektrischen Maschine (300), umfassend: einen ersten Eingang (102) zur Erfassung eines Sicherheitsfunktionssignals und einen zweiten Eingang (104) zur Erfassung eines Referenzpotentials des Sicherheitsfunktionssignals; und einen oder mindestens zwei Abschaltwege (106) der Ansteuerung, wobei jeder Abschaltweg (106) jeweils umfasst
- einen Eingangskoppler (110), der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal von den Eingängen (102, 104) zu übertragen; und
- mindestens einen Ausgang (130) zur Ansteuerung eines Schalters einer Halbbrücke der Leistungsstufe (200), gekennzeichnet durch
- mindestens eine Modulationslogikeinheit (120), die dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Schalter zugeordnetes Modulationssignal (166; 168) und das vom jeweiligen Eingangskoppler (110) übertragene Sicherheitsfunktionssignal logisch zu verknüpfen und am Ausgang (130) als freischaltbares Modulationssignal (108) auszugeben, wobei der Eingangskoppler (110) das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen (102, 104) überträgt und/oder wobei das dem jeweiligen Schalter zugeordnete Modulationssignal (166; 168) in der Vorrichtung (100) galvanisch getrennt (112) von einem Modulator (160) zum Erzeugen des Modulationssignals (166; 168) ist.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die logische Verknüpfung eine logische Und-Verknüpfung zwischen dem zugeordneten Modulationssignal (166; 168) und dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal ist.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (100) zur Freischaltung der Ansteuerung von N Halbbrücken der Leistungsstufe (200) ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung (100) mindestens 2 N Ausgänge (130) umfasst, und wobei jeder Halbbrücke der Leistungsstufe (200) jeweils ein Paar der Ausgänge (130) zugeordnet ist.
4. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung mindestens zwei Abschaltwege (106; 107A; 107B) umfasst, deren Eingangskoppler (110) zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) in Reihe geschaltet sind.
5. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sicherheitsfunktionssignal ein Signal zur sicheren Drehmoment-Unterbrechung, STO-Signal, der elektrischen Maschine (300) ist, vorzugsweise gemäß der Europäischen Norm IEC 61800-5-2:2007 und/oder der Stoppkategorie 0 oder 1 der Europäischen Norm 60204.
6. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrische Maschine (300) ein Elektromotor, vorzugsweise ein Asynchronmotor ist.
7. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: einen Transformator (150), der dazu ausgebildet ist, eine von einer
Steuereinheit (140) zur Überwachung der Freischaltung oder einem oder dem Modulator (160) zum Erzeugen des Modulationssignals (166; 168) galvanisch entkoppelte Versorgungspannung (152) an den Eingangskoppler (110) und/oder an die Modulationslogikeinheit (120) und/oder an den Ausgang (130) auszugeben.
8. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sicherheitsfunktionssignal oder der erste Eingang (102) eine Versorgungsspannung des Eingangskopplers (110) oder der Eingangskoppler (110) und/oder eine Versorgungsspannung der Modulationslogikeinheit (120) oder der Modulationslogikeinheiten (120) speist, oder wobei eine Versorgungsspannung (152) des Eingangskopplers (110) oder der Eingangskoppler (110) und/oder eine Versorgungsspannung (152) der Modulationslogikeinheit (120) oder der Modulationslogikeinheiten (120) unabhängig vom Sicherheitsfunktionssignal ausgegeben ist, und/oder wobei eine Versorgungsspannung (152) des Eingangskopplers (110) oder der Eingangskoppler (110) und/oder eine Versorgungsspannung (152) der Modulationslogikeinheit (120) oder der Modulationslogikeinheiten (120) galvanisch entkoppelt ist von einer Betriebsspannung (154) eines oder des das Modulationssignal (166; 168) erzeugenden Modulators (160) und/oder eines das freischaltbare Modulationssignal (108) am Ausgang (130) ausgebenden Ausgangskopplers.
9. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der oder jeder galvanisch trennende Eingangskoppler (110) des Sicherheitsfunktionssignals und/oder die galvanische Trennung (112) des Modulationssignals (166; 168) eine optische, induktive und/oder kapazitive Signalkopplung aufweist.
10. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der oder jeder Abschaltweg (106) ferner einen Filter (122) umfasst, der zwischen den Eingangskoppler (110) und die Modulationslogikeinheit (120) geschaltet ist.
11. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei der Filter (122) umfasst: einen Verstärker (124); und/oder einen Tiefpass (126); und/oder einen Schmitt-Trigger (128).
12. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei der oder jeder Abschaltweg (106) ferner eine Testlogikeinheit (121) umfasst, die zwischen den Eingangskoppler (110) und der Modulationslogikeinheit (120) geschaltet ist und eingangsseitig das übertragene Sicherheitsfunktionssignal und ein Testsignal (144) logisch verknüpft, und wobei die Vorrichtung (100) ferner eine Steuereinheit (140) umfasst, die dazu ausgebildet ist, das Testsignal (144) zur Unterbrechung des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals zu erzeugen und in Reaktion auf das Testsignal (144) an einem Signalabgriff (129) an der Modulationslogikeinheit (120) oder am Ausgang (130) einen Signalverlauf zu überwachen, vorzugsweise wobei die Steuereinheit (140) ferner dazu ausgebildet ist, eine Anweisung (142) zum Abschalten des Modulationssignals (166; 168) an einen oder den das Modulationssignal (166; 168) erzeugenden Modulator (160) auszugeben, falls der überwachte Signalverlauf nicht in einem vorgegebenen Zeitfenster einer Freischaltung der Ansteuerung entspricht.
13. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner einen Modulator-Abschaltweg (107A) umfassend, wobei der Modulator-Abschaltweg (107A) einen oder den das Modulationssignal (166; 168) erzeugenden Modulator (160) und einen Eingangskoppler (110) umfasst, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen (102, 104) als Abschaltanweisung (142) an den Modulator (160) zu übertragen, wobei der Modulator (160) dazu ausgebildet ist, in Reaktion auf ein Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals das Modulationssignal (166; 168) abzuschalten.
14. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner einen Steuereinheit-Abschaltweg (107B) umfassend, wobei der Steuereinheit-Abschaltweg (107B) eine Steuereinheit (140) und einen Eingangskoppler (110) umfasst, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt von den Eingängen (102, 104) an die Steuereinheit (140) zu übertragen, wobei die Steuereinheit (140) dazu ausgebildet ist, in Reaktion auf ein Entfallen des übertragenen Sicherheitsfunktionssignals einen Signalverlauf an einem Signalabgriff (129) an der Modulationslogikeinheit (120) oder am Ausgang (130) zu überwachen, vorzugsweise wobei die Steuereinheit (140) ferner dazu ausgebildet ist, eine Anweisung (142) zum Abschalten des Modulationssignals (166; 168) an einen oder den das Modulationssignal (166; 168) erzeugenden Modulator (160) auszugeben, falls der überwachte Signalverlauf nicht in einem vorgegebenen Zeitfenster einer Freischaltung der Ansteuerung entspricht.
15. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner einen Halte- Abschaltweg umfassend, wobei der Halte-Abschaltweg eine elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung und einen Eingangskoppler (110) umfasst, der eingangsseitig zwischen den ersten Eingang (102) und den zweiten Eingang (104) geschaltet ist und dazu ausgebildet ist, das Sicherheitsfunktionssignal galvanisch getrennt vom ersten Eingang (102) und vom zweiten Eingang (104) an die elektromechanische Bremse oder Drehverriegelung zu übertragen, wobei die elektromechanische Bremse dazu ausgebildete ist, beim Entfallen des übertragene Sicherheitsfunktionssignals ein Bremsmoment an einer Welle der elektrischen Maschine (300) zu erzeugen, oder die elektromechanische Drehverriegelung dazu ausgebildet ist, beim Entfallen des übertragene Sicherheitsfunktionssignals ein Haltemoment an einer Welle der elektrischen Maschine (300) zu erzeugen.
16. Frequenzumrichter (400) zum Antrieb eines Elektromotors (300), umfassend: eine Leistungsstufe (200), die dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe mindestens eines freischaltbaren Modulationssignals (108) mindestens eine Phase des Elektromotors (300) zu schalten; einen Modulator (160), der dazu ausgebildet ist, mindestens ein Modulationssignal (166; 168) zur Ansteuerung der Leistungsstufe (200) zu erzeugen; und eine Vorrichtung (100) zur Freischaltung der Ansteuerung der Leistungsstufe (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Vorrichtung (100) das mindestens eine Modulationssignal (166; 168) des Modulators (160) jeweils mit dem übertragenen Sicherheitsfunktionssignal logisch verknüpft zur Ausgabe des freischaltbaren Modulationssignals (108).
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