DE19530385A1 - Überdrehzahlschutz für Dreh- oder Wechselstrommotore - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überdrehzahlschutz für Dreh- oder Wechselstrommotore mit einer Drehzahlmeßeinrichtung, die ein der Motordrehzahl entsprechendes Istsignal an einen Komparator in einer Auswerteschaltung zum Vergleich mit einem Grenzwertsignal liefert, wobei die Auswerteschaltung bei Überschreiten des vorgegebenen Drehzahl-Grenzwertes ein Abschaltsignal für eine Motorsteuerung liefert.

Ein Überdrehzahlschutz für Elektromotore muß in denjenigen Fällen vorgesehen werden, in denen Überdrehen einen gefährlichen Zustand verursachen kann (Europäische Norm EN 60 204-1: 1992). Werden Frequenz-Umrichter zur elektronischen Drehzahleinstellung eingesetzt, reicht deren in der Regel systemimmanent programmierbare Maximalfrequenz in den Fällen nicht aus, in denen eine Überdrehzahl einen gefährlichen Zustand im Sinne der Maschinenrichtlinie erzeugen kann. Die zu fordernde Redundanz der Einrichtungen für den Überdrehzahlschutz ist durch zusätzliche Maßnahmen sicherzustellen, deren Funktionsfähigkeit nicht von der des Frequenz-Umrichters abhängt. Ein wichtiges Element eines solchen Überdrehzahlschutzes ist die Drehzahlmeßeinrichtung, die das zu überwachende Istsignal liefert. An diese Drehzahlmeßeinrichtung werden hohe Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt, weil ein Ausfall oder eine fehlerhafte Funktion der Drehzahlmeßeinrichtung den Überdrehzahlschutz unwirksam macht. Die für den Überdrehzahlschutz geforderte Redundanz läßt sich bei der Verwendung bisher bekannter Drehzahlmeßeinrichtungen nur mit hohem Bau- und Schaltungsaufwand erzielen.

Herkömmliche, auch für den Überdrehzahlschutz verwendete Drehzahlmeßeinrichtungen weisen beispielsweise mechanisch oder magnetisch betätigte Signalgeber auf, die bei jeder Umdrehung der Welle des zu überwachenden Motors ein Signal liefern. Beispielsweise kann auf der Motorwelle ein Magnet angebracht sein, der beim Passieren eines Reedkontaktes jeweils pro Umdrehung ein Signal liefert. Andere berührungsfreie Drehzahlmeßeinrichtungen weisen beispielsweise eine Lichtschranke auf, die durch ein mit der Motorwelle verbundenes Teil bei jeder Wellenumdrehung unterbrochen wird. Ebenfalls gebräuchlich sind induktive oder kapazitive Näherungsschalter sowie Fliehkraftschalter. Gemeinsames Prinzip aller dieser Überwachungsverfahren ist die Wandlung der physikalisch- mechanischen Information "Drehzahl" in ein Signal, das mittels einer geeigneten Auswerteeinrichtung einen Vergleich mit einem zulässigen Grenzwert ermöglicht und bei Überschreiten des Grenzwertes zur Abschaltung führt. Fällt eines der ständiger mechanischer Beanspruchung ausgesetzten Bauelemente der Drehzahlmeßeinrichtung aus, wird kein der tatsächlichen Motordrehzahl entsprechendes Signal an die Auswerteschaltung geliefert, so daß eine Überdrehzahl nicht mehr erkannt wird.

Andere Drehzahlmeßeinrichtungen erfassen die dem Motor zugeführte elektrische Spannung und bilden daraus ein der Frequenz proportionales Signal. Der für die Drehmomentbildung verantwortliche Motorstrom und dessen die Drehzahl bestimmende Frequenz werden dabei lediglich als indirekte Größen ermittelt. Die Ankoppelung des Meßwertaufnehmers erfolgt bei diesen Systemen in der Regel potentialbehaftet. Die für schnell schaltende Leistungshalbleiter charakteristischen erheblichen Spannungsspitzen wirken somit unmittelbar auf die Drehzahlmeßeinrichtung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Überdrehzahlschutz zu schaffen, der mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet. Insbesondere sollen im Bereich der Drehzahlmeßeinrichtung mechanischer oder elektrischer Beanspruchung ausgesetzte Bauelemente vermieden werden, deren Ausfall zu einem Funktionsausfall des gesamten Überdrehzahlschutzes führen könnten.

Diese Aufgabe wird bei einem Überdrehzahlschutz der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß die Drehzahlmeßeinrichtung ein in eine der Speiseleitungen des Dreh- oder Wechselstrommotors geschalteter Frequenzaufnehmer ist.

Dieser Frequenzaufnehmer liefert unmittelbar aus der Speisefrequenz des Dreh- oder Wechselstrommotors ein drehzahlabhängiges Istsignal an den Komparator. Die Erzeugung dieses Istsignal s hängt nicht von der Funktionszuverlässigkeit irgendwelcher Schalter ab, da es unmittelbar aus dem Verlauf des Motorspeisestroms gewonnen wird. Fällt dieser Motorspeisestrom aus, so fällt auch der zu überwachende Dreh- oder Wechselstrommotor aus bzw. arbeitet nur noch mit verminderter Leistung, so daß keine Gefahr einer Überdrehzahl gegeben ist.

Vorzugsweise ist der Frequenzaufnehmer induktiv an eine der Speiseleitungen des Dreh- oder Wechselstrommotors angekoppelt. Dies ermöglicht eine sehr einfache und zuverlässige Gewinnung des Istsignals mit sehr geringem Bau- und Schaltungsaufwand.

Der induktive Meßwertaufnehmer unterliegt praktisch keiner Funktionsbeeinträchtigung durch Spannungsspitzen, mechanische Beanspruchung oder Alterung. Die potentialgetrennte Signalgewinnung schafft hohe Betriebssicherheit für die weitere Auswerteelektronik.

Es kann vorgesehen werden, daß in der Auswerteschaltung eine UND-Verknüpfung (17) vorgesehen ist, deren erste Schaltbedingung (18) aus dem Zustand des Ausgangs des Komparators (10) und deren zweite Schaltbedingung (19) aus dem Ausgang des an die Speiseleitung (4) des angekoppelten Stromaufnehmers (20) gebildet wird und deren Ausgang (23) ein durch eine externe Motorsteuerung auswertbares Signal liefert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Überdrehzahlschutzes für einen Dreh- oder Wechselstrommotor 1, beispielsweise einen Synchronmotor, der von einem dreiphasigen Netz 2 über einen dreipoligen Motorhauptschalter 3 gespeist wird.

Eine der Speiseleitungen des Dreh- oder Wechselstrommotors 1, beim dargestellten Ausführungsbeispiel die U-Phasenleitung 4, ist über eine induktive Koppelungseinrichtung 5 eines Überdrehzahlschutzes 6 an ein Filter 7 angeschlossen. Das Filter 7 erzeugt aus einem möglicherweise mit Störfrequenzen überlagerten oder verzerrten Stromsignal der Speiseleitung 4 ein geglättetes Sinussignal.

Der Ausgang 8 des Filters 7 ist über einen Signalumformer 9 mit einem der beiden Eingänge des Komparators 10 verbunden. Der Signalumformer 9 liefert das aus der Speiseleitung 4 und dem Filter 7 gewonnene Signal als Rechtecksignal an den Komparator 10, wobei die Frequenz dieses Rechtecksignals der ggf. um Asynchronschlupf reduzierten Wellendrehzahl des Dreh- oder Wechselstrommotors 1 proportional ist und somit das Istsignal der Motordrehzahl darstellt.

Zwischen einem in der Zeichnung nur schematisch angedeuteten stabilisierten Netzteil 11 und der Erde 12 ist eine Spannungsteilerschaltung 13 angeordnet, deren Mittenabgriff 14 über einen Widerstand 15 mit dem Netzteil 11 verbunden ist. Der Mittenabgriff 14 liegt am Eingang eines Spannungs-Frequenz-Umformers 16, der ein der anliegenden Spannung proportionales Rechteck-Frequenzsignal an einen zweiten Eingang des Komparators 10 liefert.

Zwischen dem Mittenabgriff 14 und Erde 12 liegt ein Widerstandzweig der Spannungsteilerschaltung 13, der aus mehreren parallelgeschalteten Einstellwiderständen 17a, 17b, 17c. . . besteht. Diese Einstellwiderstände 17a, 17b, 17c. . . können über jeweils zugeordnete Schalter 18a, 18b, 18c. . . wahlweise zugeschaltet werden, um eine den jeweils gewünschten Drehzahlgrenzwert entsprechende Spannung an den Eingang des Spannungs-Frequenz-Umformers 16 zu legen. Die Codierung des Drehzahl-Grenzwertes durch addierende DIP-Schalter ermöglicht eine einfache und genaue Vorgabe des Grenzwertes in hierfür ausreichenden Stufen. Zugleich ist die Spannungsteilerschaltung 13 besonders wenig störanfällig, weil ein Ausfall eines der Einstellwiderstände 17a, 17b. . . durch Kurzschluß immer zu einer Herabsetzung des Grenzwertsignals führt.

In der Auswerteschaltung 6 ist ein UND-Gatter 17 vorgesehen, dessen erster Eingang 18 mit dem Ausgang des Komparators 10 verbunden ist. An diesem ersten Eingang 18 steht ein "Ja"-Signal an, wenn der von der Drehzahlmeßeinrichtung gelieferte Istwert größer als der vom Spannungs-Frequenz-Umformer 16 gelieferte Grenzwert ist.

Ein zweiter Eingang 19 des UND-Gatters 17 ist mit einem an die Speiseleitung 4 des Dreh- oder Wechselstrommotors 1 angekoppelten Stromaufnehmer 20 verbunden. An diesem zweiten Eingang 19 steht ein "Ja"-Signal an, wenn der in der Speiseleitung 4 fließende Strom einen vorgegebenen Mindest-Stromwert überschreitet, beispielsweise 0,5 A.

Ein dritter Eingang 21 des UND-Gatters 17 ist über eine Zeitschaltung 22 mit dem Ausgang des Komparators 10 verbunden. An diesem dritten Eingang 21 steht nur dann ein "Ja"-Signal an, wenn das vom Komparator 10 gelieferte Signal über eine vorgegebene Zeitspanne vorliegt.

Wenn alle drei Eingänge 18, 19 und 21 des UND-Gatters 17 mit einem Signal beaufschlagt sind, steht am Ausgang 23 des Gatters 17 das Signal "logisch 0". Sein Ausgang 23 ist über ein Invertierglied 28 und ein Relais 24 mit einer externen Motorsteuerung 25 verbunden, die den Motorhauptschalter 3 betätigt. Der Ausgang 23 des UND-Gatters 17 liegt außerdem an einer Leuchtdiode 26, die beim Ansprechen des Überdrehzahlschutzes ein optisches Signal liefert.

Im Normal-Betriebszustand, d. h. wenn die Speisespannung 11 vorhanden ist und der Ausgang 23 des Gatters 17 das Signal "logisch 0" liefert, erhält das Relais 24 das invertierte Signal 28 "logisch 1". Das Relais 24 ist damit angezogen und der Relaiskontakt 27 befindet sich in der Position "Betrieb". Wechselt der Ausgang 23 des Gatters 17 in den Zustand "logisch 1", fällt das Relais 24 ab und der Relaiskontakt 27 kippt in die Position "Fehler". Diese Betriebsweise stellt gleichzeitig sicher, daß ein Ausfall der Speisespannung 11 zur Anzeige eines Fehlers führt.

Claims (7)

1. Überdrehzahlschutz für Dreh- oder Wechselstrommotore mit einer Drehzahlmeßeinrichtung, die ein der Motordrehzahl entsprechendes Istsignal an einen Komparator in einer Auswerteschaltung zum Vergleich mit einem Grenzwertsignal liefert, wobei die Auswerteschaltung bei Überschreiten des vorgegebenen Drehzahl-Grenzwertes ein Abschaltsignal für eine Motorsteuerung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlmeßeinrichtung ein in eine der Speiseleitungen (4) des Dreh- oder Wechselstrommotors (1) geschalteter Frequenzaufnehmer ist.

2. Überdrehzahlschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzaufnehmer induktiv an eine der Speiseleitungen (4) des Dreh- oder Wechselstrommotors (1) angekoppelt ist.

3. Überdrehzahlschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzaufnehmer einen Signalumformer (9) aufweist, der das an der Speiseleitung (4) gewonnene Signal als Rechtecksignal an den Komparator (10) liefert.

4. Überdrehzahlschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungs-Frequenz-Umformer (16) das Grenzwertsignal an den Komparator (10) liefert.

5. Überdrehzahlschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung eine UND-Verknüpfung (17) vorgesehen ist, deren erste Schaltbedingung (18) aus dem Zustand des Ausgangs des Komparators (10) und deren zweite Schaltbedingung (19) aus dem Ausgang des an die Speiseleitung (4) des angekoppelten Stromaufnehmers (20) gebildet wird und deren Ausgang (23) ein durch eine externe Motorsteuerung auswertbares Signal liefert.

6. Überdrehzahlschutz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Schaltbedingung (21) der UND-Verknüpfung (17) über eine Zeitschaltung (22) mit dem Ausgang des Komparators (10) verbunden ist.

7. Überdrehzahlschutz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des das Grenzwertsignal liefernden Spannungs-Frequenz-Umformers (16) an einen Mittenabgriff (14) einer Spannungsteilerschaltung (13) gelegt ist, dessen zwischen dem Mittenabgriff (14) und Erde (12) liegender Widerstandszweig aus mehreren parallelgeschalteten, wahlweise zuschaltbaren Einstellwiderständen (17a, 17b, 17c. . .) besteht.