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Dokumentenidentifikation DE10041607B4 13.04.2006
Titel Elektrisches Arbeitsgerät sowie Verfahren zu dessen Betreiben
Anmelder Berger Lahr GmbH & Co. KG, 77933 Lahr, DE
Erfinder Moddemann, Jörg, 77749 Hohberg, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwaltssozietät Maucher, Börjes & Kollegen, 79102 Freiburg
DE-Anmeldedatum 24.08.2000
DE-Aktenzeichen 10041607
Offenlegungstag 14.03.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse H02M 7/48(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G05B 9/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H02H 7/122(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G05B 23/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Arbeitsgerät sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.

Nach der EN 954-1 "Sicherheit von Maschinen – Sicherheitsbezogener Teil von Steuerungen" werden elektrische Arbeitsgeräte in Abhängigkeit von dem Gefahrenpotential, das von dem Arbeitsgerät ausgeht, in verschiedene Gefahrenklassen oder Kategorien eingeteilt. In dieser Norm ist auch die geforderte Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen im Einzelnen geregelt. Es werden fünf Kategorien B, 1, 2, 3 und 4 unterschieden, von denen die Kategorie vier die höchsten Anforderungen an die Schutzmaßnahmen stellt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich vor allem auf die Kategorie drei gemäß EN 954-1, das heißt auf Anwendungen, bei denen schwere irreversible Verletzungen häufig möglich sind, deren Gefahrenabwendung unter bestimmten Bedingungen möglich ist. Bei dieser Kategorie darf ein einzelner Fehler nicht zu einem Versagen der Sicherheitsfunktion führen.

Aus DE 37 32 718 C2 ist bereits ein Arbeitsgerät bekannt, das eine Gleichspannungsquelle aufweist, die über eine eine Brückenschaltung aufweisende Endstufe mit dem elektrischen Verbraucher verbunden ist. Die Brückenschaltung hat zwei Halbbrücken, in deren Brückenzweigen jeweils ein als Transistor ausgebildeter Halbleiterschalter angeordnet ist. Die Halbleiterschalter werden von einer gemeinsamen Steuereinrichtung angesteuert, die für jeden Halbleiterschalter jeweils einen mit dessen Gateanschluß verbundenen Ausgangsanschluß aufweist. Um im Falle eines Defekts in der Steuereinrichtung oder im Bereich eines oder mehrerer der steuerbaren Halbleiterschalter eine Sicherheitsabschaltung der Brückenschaltung zu ermöglichen, sind mehrere Abschaltvorrichtungen vorgesehen. Eine dieser Abschalteinrichtungen weist ein Halbleiterschaltelement auf, das mit seinem Emitteranschluß an Masse und mit seinem Kollektoranschluß über Dioden mit den Ausgangsanschlüssen der Steuereinrichtung verbunden ist. Durch Durchschalten der Kollektor-Emitterstrecke dieses Halbleiterschaltelements kann das Potential der Ausgangsanschlüsse auf Masse gezogen und somit die Ansteuerung sämtlicher Halbleiterschalter der Brückenschaltung gesperrt werden. Die übrigen Abschaltvorrichtungen des Arbeitsgeräts weisen zum Abschalten des Verbrauchers elektrische Schalter auf, die in den Laststromkreis des Verbrauchers geschaltet sind. Mittels einer Überwachungsschaltung wird die Funktion der Abschalteinrichtungen in zyklischer Folge überwacht. Die Gate-Anschlüsse der Halbleiterschalter der Brückenschaltung werden dabei über das Halbleiterschaltelement kurzzeitig auf Masse gezogen, um den Verbraucher abzuschalten. Die Abschaltung wird dann mittels der Überwachungsschaltung überprüft. Wenn dabei – beispielsweise aufgrund eines Defekts des Halbleiterschaltelements – ein Fehler auftritt, wird der Verbraucher über die anderen Abschalteinrichtungen abgeschaltet. Das Arbeitsgerät weist zwar eine hohe Betriebssicherheit auf, da bei einem Ausfall einer der Abschalteinrichtungen das Abschalten des Verbrauchers über die anderen Abschalteinrichtung weiterhin möglich ist. Nachteilig ist dabei jedoch, daß sich durch die zahlreichen, in dem Laststromkreis angeordneten Schalter der Abschalteinrichtungen insgesamt ein relativ kompliziertes und teueres Arbeitsgerät ergibt.

Aus US 5 604 670 ist ferner ein elektrisches Arbeitsgerät mit einem über einen Frequenzumrichter an einem Wechselstromnetz angeschlossenen Elektromotor bekannt. Der Elektromotor ist über eine Halbleiterschalter aufweisende Brückenschaltung mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis des Frequenzumrichters verbunden. Zum Schutz der Halbleiterschalter ist eine Abschaltvorrichtung vorgesehen, die für jede Halbbrücke der Brückenschaltung jeweils eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der Ansteuersignale der Halbleiterschalter der Brückenzweige der Halbbrücke aufweist. Die Abschaltvorrichtung ist mit Ansteuerschaltungen für die Halbleiterschalter verbunden. Wenn bei einem Defekt der die Halbleiterschalter ansteuernden Steuereinrichtung die Halbleiterschalter beider Brückenzweige gleichzeitig angesteuert werden, werden die Steuersignale für die Ansteuerschaltungen abgeschaltet. Ein Überprüfung der Funktion der Abschalteinrichtung ist bei dem Arbeitsgerät nicht vorgesehen.

Aus DE 30 29 851 C2 ist auch bereits ein elektrisches Arbeitsgerät bekannt, bei dem die die Zwischenkreisspannung aufweisenden Ausgangsanschlüsse eines am Wechselstromnetz angeschlossenen Gleichrichters über Sicherungselemente mit den beiden Eingangsanschlüssen beziehungsweise Polen der Brückenschaltung verbunden sind. Die Brückenschaltung weist drei Halbbrücken auf, deren Ausgangsanschlüsse mit den Wicklungen eines Elektromotors verbunden sind. Jede der Halbbrücken hat jeweils zwei Brückenzweige, von denen der eine mit dem einen Pol des Zwischenkreises und der andere mit dem anderen Pol des Zwischenkreises verbunden ist. In den Brückenzweigen ist als Halbleiterschalter jeweils ein Thyristor angeordnet, dessen Steuereingang über eine Ansteuerschaltung mit einer Steuereinrichtung verbunden ist. Mittels der Steuereinrichtung werden an die Steuereingänge der Thyristoren Steuersignale für eine Pulsweitenmodulation derart angelegt, daß die an den Ausgangsanschlüssen der drei Halbbrücken angeschlossenen Motorwicklungen ein umlaufendes magnetisches Drehfeld erzeugen. Dabei werden die Thyristoren der einzelnen Halbbrücken jeweils so angesteuert, daß jeweils eine der beiden Brückenzweige der Halbbrücke leitend ist, während der jeweils andere Brückenzweig gesperrt ist.

Die Steuereinrichtung ist redundant ausgebildet und weist zwei Mikrorechner auf, von denen der eine die drei mit dem einen Pol der Zwischenkreisspannung verbundenen Thyristoren und der andere die drei mit dem anderen Pol der Zwischenkreisspannung verbundenen Thyristoren der Brückenschaltung ansteuert. Die beiden Mikrorechner sind über eine bidirektionale Datenleitung miteinander verbunden und überwachen sich gegenseitig, indem in jedem der Mikrorechner nach gegenseitigem Datenaustausch ein Ergebnisvergleich durchgeführt wird. Nach Angabe der Patentschrift führt jeder Ausfall eines Thyristors bereits nach kurzer Zeit zu einem Kurzschluß und damit zum Ansprechen der Sicherungselemente. Dadurch wird der an der Brückenschaltung angeschlossene Elektromotor abgeschaltet. Ungünstig ist dabei jedoch, daß das Abschalten des Elektromotors die ordnungsgemäße Funktion der Sicherungselemente voraussetzt. Bei einem Defekt an den Sicherungselementen kann es daher zu einem gefährlichen Betriebszustand des Elektromotors kommen.

Aus DE 44 41 070 C2 kennt man auch bereits ein Arbeitsgerät mit einem elektrischen Verbraucher, der über eine elektronische Sicherheitsschaltung angesteuert wird. Die Sicherheitsschaltung ist redundant ausgebildet und weist zwei Rechnereinheiten auf, die jeweils einen mit einer Lichtschranke zur Überwachung eines im Bereich des elektrischen Verbrauchers befindlichen Schutzfeldes verbundenen Steuereingang haben. Die Rechnereinheiten sind über Signalleitungen jeweils mit Eingängen einer Ansteuerschaltung verbunden, die zwei Halbleiterschalter aufweist, mittels denen ein Steuerausgang der Ansteuerschaltung wechselweise mit einer Hilfsspannungsquelle oder mit Massepotential verbindbar ist. Dabei wird der elektrische Verbraucher nur dann eingeschaltet, wenn die Steuereingänge beider Ansteuerschaltungen aktiv sind. Zur Überprüfung der Funktion der Halbleiterschalter weisen die Ansteuerschaltungen Rückleseleitungen auf, die mit Rückleseeingängen der Rechnereinheiten verbunden sind. Mittels der Rechnereinheiten werden jeweils über die Signalleitungen Testimpulse an die Steuerausgänge der Ansteuerschaltungen ausgegeben und dann über die Rückleseeingänge zurückgelesen. Wird dabei ein Fehler festgestellt, werden zumindest die noch funktionsfähigen Halbleiterschalter von den Rechnereinheiten geöffnet. Die Sicherheitsschaltung hat jedoch den Nachteil, daß der Betrieb des elektrischen Verbrauchers durch das Anlegen der Testimpulse gestört werden kann, da der Verbraucher während der Testphase kurzzeitig abgeschaltet wird.

Es besteht deshalb die Aufgabe, ein elektrisches Arbeitsgerät zu schaffen, das trotz eines einfachen Aufbaus eine sichere Abschaltung des elektrischen Verbrauchers ermöglicht. Außerdem besteht die Aufgabe, ein einfach durchzuführendes Verfahren zu schaffen, das eine sichere Abschaltung des elektrischen Verbrauchers ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bezüglich des elektrischen Arbeitsgeräts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch getrennte Abschaltung der Hilfsversorgungsspannungen der Ansteuerschaltungen für den "oberen" und "unteren" Brückenzweige ergibt sich eine zweikanalige, unabhängige Abschaltung des elektromotorischen Antriebs. Da die Testabschaltung eine zyklische Überprüfung der Abschaltfunktion des elektrischen Verbrauchers ermöglicht, wird auch bei Verwendung kostengünstiger Halbleiterbauelemente zum Abschalten der Hilfsversorgungsspannung und/oder zum Ansteuern der Halbleiterschalter der Brückenschaltung eine sichere Not-Aus-Funktion ermöglicht.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Testabschaltung während einer Nichtansteuerungsphase des in dem abzuschaltenden Brückenzweig angeordneten Halbleiterschalters durchgeführt. Dadurch ist es möglich ist, einerseits die Ansteuerschaltungen und andererseits aber auch das Abschalten der Hilfsversorgungsspannungen zu testen, ohne dadurch den Betrieb des elektrischen Verbrauchers zu beeinträchtigen. Die Überprüfung der Abschaltfunktion der Hilfsversorgungsspannung und der Ansteuerschaltungen kann somit für den Benutzer des elektrischen Arbeitsgeräts unbemerkt im Hintergrund erfolgen, was einen störungsfreien Betrieb des elektromotorischen Antriebs ermöglicht.

Vorteilhaft ist, wenn bei an demselben Pol der Zwischenkreisspannung angeschlossenen Brückenzweigen die Testabschaltung der an den Ansteuerschaltungen der in den Brückenzweigen angeordneten Halbleiterschalter anliegenden Hilfsversorgungsspannungen gleichzeitig durchgeführt wird. Die Testabschaltung der Hilfsversorgungsspannungen für die Ansteuerschaltungen der am Pluspol der Zwischenkreisspannung angeschlossenen Brückenzweige kann also mittels eines einzigen Halbleiterschaltelements für diese Brückenzweige gemeinsam durchgeführt werden. Entsprechend kann mittels eines weiteren Halbleiterschaltelements die Testabschaltung der Hilfsversorgungsspannungen für die Ansteuerschaltungen der am Minuspol der Zwischenkreisspannung angeschlossenen Brückenzweige gemeinsam erfolgen. Dabei erfolgt die Testabschaltung jeweils dann, wenn alle Halbleiterschalter, die an dem betreffenden Pol der Zwischenkreisspannung angeschlossen sind, gleichzeitig nicht angesteuert werden, das heißt wenn sämtliche Halbleiterschalter, die an dem anderen Pol der Zwischenkreisspannung angeschlossen sind, angesteuert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, daß zur Synchronisation der Testabschaltungen der an den Ansteuerschaltungen anliegenden Hilfsversorgungsspannungen mit den an die Halbleiterschalter angelegten Steuersignalen der zeitliche Verlauf der Stromaufnahme wenigstens einer Ansteuerschaltung gemessen und mit einem Schwellwert verglichen wird. Dadurch kann eine Synchronisationsleitung zwischen der zur Erzeugung der Steuersignale vorgesehenen Steuereinrichtung und einer die Testabschaltung der an den Ansteuerschaltungen anliegenden Hilfsversorgungsspannungen steuernden Abschaltsteuereinrichtung eingespart werden.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Steuerung der Testabschaltungen mittels eines Mikrocomputers erfolgt und daß vorzugsweise für jeden Halbleiterschalter oder für jede Gruppe von Halbleiterschaltern, bei den die Testabschaltung gleichzeitig durchgeführt wird, jeweils ein eigener Mikrocomputer vorgesehen ist, und daß sich die Mikrocomputer gegebenenfalls gegenseitig überwachen, wobei beim Auftreten eines Fehlers zumindest die an den Ansteuerschaltungen der an einem der Pole der Zwischenkreisspannung angeschlossenen Brückenzweige anliegenden Hilfsversorgungsspannungen abgeschaltet werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Abschaltfunktion für den elektrischen Verbraucher zusätzlich erhöht werden.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird bezüglich des elektrischen Arbeitsgeräts mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.

In vorteilhafter Weise ist es dadurch möglich, das Abschalten der Hilfsversorgungsspannung zu testen, ohne den Betrieb des elektrischen Verbrauchers zu beeinträchtigen. Die Kombination aus der Meßeinrichtung und den Abschalteinrichtungen ermöglicht eine überwachte Testabschaltung der an den Ansteuerschaltungen der einzelnen Halbleiterschalter jeweils anliegenden Hilfsversorgungsspannung. Da die einwandfreie Funktion der Testabschaltung mittels der Meßeinrichtung überprüft und beim Auftreten eines Fehlers der elektrische Verbraucher abgeschaltet wird, kann trotz des zur Abschaltung der Hilfsversorgungsspannung vorgesehenen Halbleiterschaltelements eine hohe Abschaltsicherheit erreicht werden.

Vorteilhaft ist, wenn die Betriebsspannungsanschlüsse der Ansteuerschaltungen der am Pluspol des Zwischenkreises angeschlossenen Brückenzweige und die Betriebsspannungsanschlüsse der Ansteuerschaltungen der am Minuspol des Zwischenkreises angeschlossenen Brückenzweige jeweils mit einer gemeinsamen Abschalteinrichtung verbunden sind. Dadurch ergibt sich eine einfach aufgebaute Abschalteinrichtung. Die Abschaltung der Hilfsversorgungsspannung erfolgt mittels der Abschalteinrichtungen jeweils dann, wenn alle Halbleiterschalter der der Abschalteinrichtung jeweils zugeordneten Brückenzweige gleichzeitig nicht angesteuert werden und somit inaktiv sind.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Synchronisationseinrichtung zur Detektion der Nichtansteuerungsphasen der mit der jeweiligen Abschalteinrichtung abzuschaltenden Halbleiterschalter eine Strommeßeinrichtung aufweist, zur Messung des Betriebsstromes wenigstens einer Ansteuerschaltung ausgebildet ist, und daß der Meßausgang dieser Strommeßeinrichtung mit einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Strommeßsignales mit einem Schwellwert verbunden ist. Da der Betriebsstrom der Ansteuerschaltung vom Schaltzustand der Ansteuerschaltung beziehungsweise des ihr nachgeschalteten Halbleiterschalters abhängig ist, ergibt sich bei durchgeschalteten Halbleiterschalter ein anderer Betriebsstrom als bei gesperrtem Halbleiterschalter. Die Nichtansteuerungsphase des Halbleiterschalters kann deshalb durch Auswerten des mittels der Strommeßeinrichtung gemessenen Betriebsstromverlaufs ermittelt werden. Dadurch kann die Testabschaltung der Hilfsversorgungsspannung jeweils während der Nichtansteuerungsphase des Halbleiterschalters erfolgen, ohne daß eine Synchronisationsleitung zwischen der das Steuersignal für den Halbleiterschalter erzeugenden Steuereinrichtung und der Abschalteinrichtung und/oder der Überwachungseinrichtung erforderlich ist.

Vorteilhaft ist, wenn die Abschalteinrichtungen für die Ansteuerschaltungen der in den mit den unterschiedlichen Polen verbundenen Brückenzweigen angeordneten Halbleiterschalter jeweils einen eigenen Mikrocomputer aufweisen und wenn diese Mikrocomputer zum gegenseitigen Datenaustausch über eine Datenverbindung miteinander verbunden sind. Die Mikrocomputer können die Durchführung des Tests dann gegenseitig überwachen, beispielsweise nach Art einer Watch-Dog-Funktion, wobei beim Auftreten eines Fehlers die Hilfsversorgungsspannung mittels der Abschalteinrichtung, in dessen Mikrocomputer der Fehler erkannt wurde, abgeschaltet wird.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Teilschaltbild eines elektrischen Arbeitsgerätes, das einen über eine Halbleiterschalter aufweisende Brückenschaltung angesteuerten Elektormotor hat und

2 eine grafische Darstellung eines Dreieckssignales und der daraus abgeleiteten Steuersignale zum Ansteuern der Halbleiterschalter der in 1 gezeigten Brückenschaltung, wobei die Zeit in Richtung des mit "t" bezeichneten Pfeils und rechtwinklig dazu jeweils der Signalpegel aufgetragen ist.

Ein im ganzen mit 1 bezeichnetes elektrisches Arbeitsgerät weist einen Gleichrichter 2 auf, dessen Eingangsanschlüsse 3 mit dem Wechselstromnetz verbunden sind und dessen Ausgangsanschlüsse jeweils mit einem Pol 4 eines Zwischenkreises 5 verbunden sind. Mittels des Gleichrichters 2 wird die Eingangswechselspannung beziehungsweise die Netzspannung in eine Zwischenkreisspannung gleichgerichtet, die an den Polen 4 des Zwischenkreises 5 anliegt. Der Zwischenkreis 5 ist über eine Brückenschaltung mit einem elektrischen Verbraucher 6, nämlich einem Elektromotor verbunden.

Die Brückenschaltung weist drei Halbbrücken auf, die jeweils einen ersten, in 2 oben angeordneten Brückenzweig 7a und einen zweiten, in 2 unten angeordneten Brückenzweig 7b haben. Die beiden Brückenzweige 7a, 7b jeder Halbbrücke sind jeweils mit einem ihrer Anschlüsse miteinander verbunden und mit ihrem anderen Anschluß an unterschiedlichen Polen 4 des Zwischenkreises 5 angeschlossen. Die Verbindungsstellen der Brückenzweige 7a und 7b bildenden Brückenmittelpunkte sind jeweils über Zuleitungen mit einem Anschluß der im Stern geschalteten Wicklungsstränge des Elektromotors 6 verbunden.

In jedem der Brückenzweige 7a, 7b ist ein als Transistor ausgebildeter Halbleiterschalter 8a, 8b angeordnet, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in die Halbleiterbrücke geschaltet ist. Die Steuereingänge beziehungsweise Basisanschlüsse der Halbleiterschalter 8a, 8b sind jeweils über eine Ansteuerschaltung 9a, 9b an einem Steuersignalausgang einer Steuereinrichtung 10 angeschlossen. Mittels der Steuereinrichtung 10 werden pulsweitenmodulierte Steuersignale 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b für die Halbleiterschalter 8a, 8b erzeugt, die an den Steuersignalausgängen der Steuereinrichtung 10 anliegen.

In 2 sind die Signalverläufe der im wesentlichen als Rechtecksignale ausgebildeten Steuersignale 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b grafisch dargestellt. Dabei ist das Steuersignal des ersten Brückenzweigs 7a der ersten Halbbrücke mit 11a und dasjenige des zweiten Brückenzweigs 7b der ersten Halbbrücke mit 11b bezeichnet. In entsprechender Weise sind in 2 die Steuersignale der zweiten Halbbrücke mit 12a, 12b und diejenigen der dritten Halbbrücke mit 13a, 13b bezeichnet. Deutlich ist erkennbar, daß die Steuersignale des ersten Brückenzweigs 7a und zweiten Brückenzweigs 7b einer Halbbrücke jeweils invertiert zueinander sind, das heißt wenn der Halbleiterschalter 8a des ersten Brückenzweigs 7a einer Halbbrücke angesteuert beziehungsweise aktiv ist, ist gleichzeitig der Halbleiterschalter 8b des zweiten Brückenzweigs 7b derselben Halbbrücke jeweils nicht angesteuert beziehungsweise inaktiv.

Die Zeitpunkte, an denen die Steuersignale 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b ihre Signalpegel wechseln, sind in 2 jeweils strichliniert markiert. Die entsprechenden Zeitpunkte werden in der Steuereinrichtung 10 durch Vergleich des in 2 oben dargestellten Dreiecksignals mit Schwellwerten 14 ermittelt, die den Signalverlauf des Dreiecksignals schneiden.

Die Ansteuerschaltungen 9a, 9b weisen jeweils einen Optokoppler auf, dessen einer Anschluß über eine Versorgungsleitung 15a, 15b mit Hilfsversorgungsspannungsquelle 16 und dessen anderer Anschluß mit dem ihm jeweils zugeordneten Steuersignalausgang der Steuereinrichtung 10 verbunden ist. In 1 ist erkennbar, daß die Ansteuerschaltungen 9a, 9b von Halbleiterschaltern 8a, 8b, die an demselben Pol 4 des Zwischenkreises angeschlossen sind, jeweils über eine gemeinsame Versorgungsleitung 15a, 15b mit der Hilfsversorgungsspannungsquelle 16 verbunden sind.

Die an den Ansteuerschaltungen 9a der ersten Brückenzweige 7a anliegende Hilfsversorgungsspannung ist mittels einer ersten Abschalteinrichtung 17a und die an den Ansteuerschaltungen 9b der zweite Brückenzweige 7b anliegende Hilfsversorgungsspannung ist mittels einer zweiten Abschalteinrichtung 17b abschaltbar. Die Abschalteinrichtungen 17a, 17b weisen jeweils ein in die Versorgungsleitung 15a, 15b geschaltetes Halbleiterschaltelement 18a, 18b auf. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind die Halbleiterschaltelemente 18a, 18b Transistoren.

Mittels der Abschalteinrichtung 17a wird während einer Nichtansteuerungsphase, in der keiner der in den ersten Brückenzweigen 7a angeordneten Halbleiterschalter 8a durch eines der Steuersignale 11a, 12a, 13a angesteuert wird, eine Testabschaltung der an der Ansteuerschaltung 9a anliegenden Hilfsversorgungsspannung durchgeführt. In 2 ist eine Nichtansteuerungsphase der Halbleiterschalter 8a durch den Doppelpfeil Pf1 markiert. Die Synchronistion der Testabschaltung mit den Nichtansteuerungsphasen erfolgt über eine Synchronisationsleitung 19, welche die Steuereinrichtung 10 mit einer die Testabschaltung auslösenden Überwachungseinrichtung 20 verbindet.

Während der Testabschaltung wird die elektrische Spannung an dem mit der Versorgungsleitung 15a verbundenen Anschluß der Ansteuerschaltung 9a mittels einer mit der Versorgungsleitung 15a verbun- den Meßeinrichtung 21a gemessen. Die auf diese Weise ermittelten Meßwerte für die elektrische Spannung werden die mit der Meßeinrichtung 21a verbundene Überwachungseinrichtung 20 weitergeleitet und dort mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Falls dieser Grenzwert beispielsweise aufgrund eines Defekt des Halbleiterschaltelements 18a überschritten werden sollte, wird ein Fehler erkannt und die an der zweiten Ansteuerschaltung 9b anliegende Hilfsversorgungsspannung wird mittels der zweiten Abschalteinrichtung 17b abgeschaltet. Die Abschalteinrichtung 17b ist dazu über eine Steuerleitung 22a mit der Überwachungseinrichtung 20 verbunden. Die Ansteuerschaltungen 9a, 9b werden durch das Abschalten der Hilfsversorgungsspannung inaktiv, so daß die zweiten Halbleiterschalter 8b sperren. Dadurch wird der Stromfluß in dem Antriebsmotor 6 mit großer Sicherheit unterbrochen, selbst dann, wenn ein oder mehrere der ersten Halbleiterschalter 8a leitend sein sollte(n). Aber auch dann, wenn zusätzlich noch einer oder mehrere der Halbleiterschalter 8b einen Defekt aufweisen sollten, wird verhindert, daß sich in dem Antriebsmotor ein Drehfeld ausbildet.

In entsprechender Weise wird mittels der Abschalteinrichtung 17a während einer Nichtansteuerungsphase, in der keiner der in den zweiten Brückenzweigen 7b angeordneten Halbleiterschalter 8b durch eines der Steuersignale 11b, 12b, 13b angesteuert wird, eine Testabschaltung der an der Ansteuerschaltung 9b anliegenden Hilfsversorgungsspannung durchgeführt. In 2 ist eine Nichtansteuerungsphase der Halbleiterschalter 8b durch den Doppelpfeil Pf2 markiert. Während der Testabschaltung wird die elektrische Spannung an dem mit der Versorgungsleitung 15b verbundenen Anschluß der Ansteuerschaltung 9b mittels einer mit der Versorgungsleitung 15b verbundenen Meßeinrichtung 21b gemessen. Die Meßwerte für die elektrische Spannung werden an die mit der Meßeinrichtung 21b verbundene Überwachungseinrichtung 20 weitergeleitet und dort mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Falls dieser Grenzwert überschritten wird, wird ein Fehler erkannt und die an der ersten Ansteuerschaltung 9a anliegende Hilfsversorgungsspannung wird über die Steuerleitung 22b und die erste Abschalteinrichtung 17a abgeschaltet.

Die Testabschaltung der an den Ansteuerschaltungen 9a, 9b anliegenden Hilfsversorgungsspannungen wird zyklisch wiederholt, beispielsweise alle acht Stunden, im Positionspapier DKE-AK 226.03 vorgeschrieben ist.

Bei dem Verfahren zum Betreiben des elektrischen Arbeitsgerätes 1 wird also ein elektrischer Verbraucher 6 aus einem Wechselstromnetz gespeist , indem die Eingangswechselspannung gleichgerichtet und die so erhaltene Zwischenkreisspannung an die Halbbrücken einer Brückenschaltung angelegt wird. Jede der Halbbrücken weist zwei Brückenzweige 7a, 7b auf, in denen jeweils wenigstens ein Halbleiterschalter 8a, 8b angeordnet ist, an den über eine aus einer Hilfsversorgungsspannungsquelle 16 gespeiste Ansteuerschaltung 9a, 9b Steuersignale angelegt werden. Bei jedem der jeweils an einem der Pole 4 der Zwischenkreisspannung 5 angeschlossenen Brückenzweige wird während einer Nichtansteuerungsphase des in dem betreffenden Brückenzweig angeordneten Halbleiterschalters 8a, 8b eine Testabschaltung der an der Ansteuerschaltung 9a, 9b dieses Halbleiterschalters 8a, 8b anliegenden Hilfsversorgungsspannung durchgeführt. Diese Testabschaltung wird durch eine Messung überwacht und beim Auftreten eines Fehlers werden zumindest die an den Ansteuerschaltungen 9a, 9b der an dem anderen Pol der Zwischenkreisspannung angeschlossenen Brückenzweige 7a, 7b der Halbbrücken anliegenden Hilfsversorgungsspannungen abgeschaltet.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Arbeitsgeräts (1), insbesondere eines elektromotorischen Antriebs, wobei ein elektrischer Verbraucher (6) aus einem Wechselstromnetz gespeist wird, indem die Eingangswechselspannung gleichgerichtet und die so erhaltene Zwischenkreisspannung an die Halbbrücken einer Brückenschaltung angelegt wird, wobei jede Halbbrücke zwei Brückenzweige (7a, 7b) aufweist, in denen jeweils wenigstens ein Halbleiterschalter (8a, 8b) angeordnet ist, an den über eine aus einer Hilfsversorgungsspannung gespeiste Ansteuerschaltung (9a, 9b) Steuersignale angelegt werden, wobei für eine sichere Abschaltung des Verbrauchers (6) voneinander getrennte Testabschaltungen der an den Ansteuerschaltungen (9a, 9b) von an unterschiedlichen Polen (4) der Zwischenkreisspannung angeschlossenen Brückenzweigen (7a, 7b) anliegenden Hilfsversorgungsspannungen durchgeführt werden, wobei diese Testabschaltungen jeweils durch eine Messung überwacht werden, und wobei beim Auftreten eines Fehlers bei der Abschaltung der Hilfsversorgungsspannung der Ansteuerschaltungen (9a, 9b) der mit dem einen Pol (4) des Zwischenkreises (5) verbundenen Brückenzweige (7a) die Hilfsversorgungsspannung der Ansteuerschaltungen (9a, 9b) der mit dem anderen Pol (4) des Zwischenkreises (5) verbundenen Brückenzweige (7a) abgeschaltet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Testabschaltung während einer Nichtansteuerungsphase des in dem abzuschaltenden Brückenzweig (7a, 7b) angeordneten Halbleiterschalters (8a, 8b) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei an demselben Pol (4) der Zwischenkreisspannung angeschlossenen Brückenzweigen (7a, 7b) die Testabschaltung der an den Ansteuerschaltungen (9a, 9b) der in diesen Brückenzweigen (7a, 7b) angeordneten Halbleiterschalter (8a, 8b) anliegenden Hilfsversorgungsspannungen gleichzeitig durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisation der Testabschaltungen der an den Ansteuerschaltungen (9a, 9b) anliegenden Hilfsversorgungsspannungen mit den an die Halbleiterschalter (8a, 8b) angelegten Steuersignalen (11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b) der zeitliche Verlauf der Stromaufnahme wenigstens einer Ansteuerschaltung (9a, 9b) gemessen und mit einem Schwellwert verglichen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Testabschaltungen mittels eines Mikrocomputers erfolgt und daß vorzugsweise für jeden Halbleiterschalter (8a, 8b) oder für jede Gruppe von Halbleiterschaltern (8a, 8b), bei den die Testabschaltung gleichzeitig durchgeführt wird, jeweils ein eigener Mikrocomputer vorgesehen ist, und daß sich die Mikrocomputer gegebenenfalls gegenseitig überwachen, wobei beim Auftreten eines Fehlers zumindest die an den Ansteuerschaltungen der an einem der Pole (4) der Zwischenkreisspannung angeschlossenen Brückenzweige (7a, 7b) anliegenden Hilfsversorgungsspannungen abgeschaltet werden.
  6. Elektrisches Arbeitsgerät (1), insbesondere elektromotorischer Antrieb, mit einem über einen Frequenzumrichter mit dem Wechselstromnetz verbundenen elektrischen Verbraucher (6), wobei der Frequenzumrichter einen über einen Gleichrichter (2) an dem Wechselstromnetz angeschlossenen Zwischenkreis (5) aufweist, der über eine Brückenschaltung mit dem elektrischen Verbraucher (6) verbunden ist, wobei die Brückenschaltung wenigstens zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Brückenzweigen (7a, 7b) aufweist, in denen jeweils wenigstens ein Halbleiterschalter (8a, 8b) angeordnet ist, das über eine Ansteuerschaltung (9a, 9b) an einem Steuersignalausgang einer Steuereinrichtung (10) angeschlossen sind, wobei zum sicheren Abschalten des Verbrauchers (6) die Betriebsspannungsanschlüsse der Ansteuerschaltungen (9a, 9b) der mit dem einen Pol (4) des Zwischenkreises (5) verbundenen Brückenzweige (7a) einerseits und die Betriebsspannungsanschlüsse der Ansteuerschaltungen (9a, 9b) der mit dem anderen Pol (4) des Zwischenkreises (5) verbundenen Brückenzweige (7b) andererseits über getrennte Abschalteinrichtungen (17a, 17b) mit einer Hilfsversorgungsspannungsquelle (16) verbunden sind, wobei die Abschalteinrichtungen (17a, 17b) jeweils zumindest ein Halbleiterschaltelement (18a, 18b) aufweisen, wobei den Halbleiterschaltelementen (18a, 18b) eine mit einer Überwachungseinrichtung (20) zum Überwachen der Testabschaltung verbundene Meßeinrichtung (21a, 21b) nachgeschaltet ist, die mit Steuereingängen der Halbleiterschaltelemente (18a, 18b) verbundene Ausgänge aufweist, und wobei die Überwachungseinrichtung (20) derart ausgebildet ist, daß sie beim Auftreten eines Fehlers bei der Abschaltung der 1Hilfsversorgungsspannung für die Ansteuerschaltungen (9a, 9b) der mit dem einen Pol (4) des Zwischenkreises (5) verbundenen Brückenzweige (7a) die Hilfsversorgungsspannung für die Ansteuerschaltungen (9a, 9b) der mit dem anderen Pol (4) des Zwischenkreises (5) verbundenen Brückenzweige (7a) abschaltet.
  7. Elektrisches Arbeitsgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtungen (17a, 17b) zum Testabschalten der mit ihnen verbundenen Ansteuerschaltungen (9a, 9b) während einer Nichtansteuerungsphase der mit diesen Ansteuerschaltungen (9a, 9b) ansteuerbaren Halbleiterschalter (8a, 8b) mit einer Synchronisationseinrichtung verbunden sind.
  8. Elektrisches Arbeitsgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannungsanschlüsse der Ansteuerschaltungen (9a, 9b) der am Pluspol des Zwischenkreises (5) angeschlossenen Brückenzweige (7a, 7b) und die Betriebsspannungsanschlüsse der Ansteuerschaltungen der am Minuspol des Zwischenkreises (5) angeschlossenen Brückenzweige (7a, 7b) jeweils mit einer gemeinsamen Abschalteinrichtung (17a, 17b) verbunden sind.
  9. Elektrisches Arbeitsgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisationseinrichtung zur Detektion der Nichtansteuerungsphasen der mit der jeweiligen Abschalteinrichtung (17a, 17b) abzuschaltenden Halbleiterschalter (8a, 8b) eine Strommeßeinrichtung aufweist, zur Messung des Betriebsstromes wenigstens einer Ansteuerschaltung (9a, 9b) ausgebildet ist, und daß der Meßausgang dieser Strommeßeinrichtung mit einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Strommeßsignales mit einem Schwellwert verbunden ist.
  10. Elektrisches Arbeitsgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschalteinrichtungen (17a, 17b) jeweils einen eigenen Mikrocomputer aufweisen und daß diese Mikrocomputer zum gegenseitigen Datenaustausch über eine Datenverbindung miteinander verbunden sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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