DD271404A1 - Schaltungsanordnung zum vollstaendigen ueberlastschutz von abschaltbaren halbleiterbauelementen in ansteuereinheiten fuer elektrische antriebe - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zum vollstaendigen Ueberlastschutz von abschaltbaren Halbleiterbauelementen in Ansteuereinheiten fuer elektrische Antriebe. Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Antriebstechnik und ihre Anwendung ist in Einrichtungen mit Vier-Quadranten-Antrieben, insbesondere fuer numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen, moeglich. Wesentliche Merkmale der Erfindung sind das Anschliessen von den elektronischen Schalteinheiten (ESE) zugeordneten Kurzschlusserfassungseinheiten direkt, der Einheit (SE) zum Erfassen des Ankerstromes als Ueberstromerfassungseinheit ueber einen ersten Komparator (KP 1) und eine erste Zeitstufe (ZS 1) und einer mit dem Kuehlkoerper (KK) gekoppelten Kuehlkoerpertemperaturerfassungseinheit (KTE) ueber einen zweiten Komparator (KP 2) und eine zweite Zeitstufe (ZS 2) parallel an eine zentrale, ausgangsseitig mit einer Ansteuerlogik (ASL) verbundenen Fehlererfassungseinheit (ZFT). Fig. 1

Description

Hierzu 2£eiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektrischen Antriebstechnik und ihre Anwendung ist in Einrichtungen mit Vier-Quadranten-Antrieben, insbesondere für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen, rrjöglich und zweckmäßig.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei elektrischen Antrieben werden zum Regeln der Drehzahl eines Motors, vorzugsweise eines Gleichstrommotors, in beiden Richtungen mittels eines Drehzahl- und eines diesem unterlag Jrten Stromregelkreises für das direkte Ansteuern des Motors bzw. für das Zuschalten der Betriebsspannung steuerbare abschaltbare Halbleiterbauelemente wie Leistungstransistoren verwendet. Aus diesen Halbleiterbauelementen werden elektronische Schalteinheiten aufgebaut, die wiederum als AnsteLareinheit, beispielsweise in Form einer Brückenschaltung, angeordnet werden. Alle Halbleiterbauelemente müssen dabei zeitlich genau definiert arbeiten, um Schäden durch Überlastungen infolge von Kurzschlüssen, Überströmen und Überhitzungen zu vermeiden. Zum getrennten Erkennen der einzelnen Überlastungsarten sind aus diesem Grunde bereits Lösungen geschaffen worden.

Eine derartige Ansteuereinheit ist aus der DE-OS 2422501; H 02 P 5/16, bekannt, die eine Schaltungsanordnung zur Drehzahlstellung von Gleichstrommotoren enthält. Die Ansteuerung des Gleichstrommotors erfolgt über eine Brückenschaltung aus vier Leistungstransistoren, die im vorgegebenen Wechsel ein- und ausgeschaltet werden. Zur Gewinnung einer dem Motoriststrom in Richtung und Betrag proportionalen Spannung sind ohmsche Widerstände zwischen der Brückenschaltung und der Massepotentialleitung angeschlossen, die über einen Differenzverstärker ein Signal an einen Regler liefern. Eine weitere Schaltungsanordnung zur Verbesser jng des Schaltverhaltens eines in Emitterfolgeschaltung betriebenen Schaltverstärkers ist in der DD-PS 119506; H 03 V. 17/04 enthalten. Mit Hilfe dieser Schaltung sollen Kurzschlüsse bei in Reihe angeordneten, wechselweise angesteuerten Scnaltern vermieden werden, wobei eine Versteilerung der Ein- und Ausschaltflanken erzielt wird, und dadurch bei Reihenschaltung und wechselweiseii Ansteuern der Schaltverstärker eine Überlappung des Durchsteuerbereiches verhindert wird. Der Basishalbleiterwiderstand des Endstufentransistors weist dafür einen induktiven Anteil auf, dem ein Dämpfungswiderstand parallelgeschaltet sein kann. Diese Schaltungsmaßnahmen sollen ein aufwendiges Sperren der Schalter für eine bestimmte Zähldauer ablösen.

Vorsichtsmaßnahmen für den Fall eines Kurzschlusses sind auch in der DE-OS 2930559; H 02 P 7/28 beschrieben, die ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Drehzahl eines Gleichstrommotors betrifft. Dazu sind Komparatoren so geschaltet, daß sie mit einer geringen Hysterese aus dem-sperrenden in den leitenden Zustand schalten, - jenau zu dem Zeitpunkt in dem der zu sperrende Transistor sicher gesperrt ist. Des weiteren wird der Ansteuerimpuls zu den leitenden Transistoren zu einem Zeitpunkt bereits unterdrückt, der kurz vor dem Ende dieses Impulses liegt, d. h. kurz bevor ein Befehl zur Leitungobewirkung der übrigen Transistoren übertragen wird, und auf diese Weise die notwendige Blockierung von Transistoren erreicht. Zur Erfassung des Zeitpunktes zum Unterdrücken des Impulses zum Ansteuern der Transistoren sind Komparatoren vorgesehen.

Eine Schaltungsanordnung zur Laststromerfassung in einem Gleichstrom-Umkehrsteller ist aus der Anmeldung beim Europäischen Patentamt EP 82 391; H 02 P 7/00 bekannt, der eine aus vier Brückenzweigen bestehende und an eine Versorgungsspannungsquelle angeschlossene Brückenschaltung enthält. Jeder dieser vier Brückenzweige besteht aus der Antiparallelschaltung eines elektronischen Schalters und eines Freilaufventils, und in zwei Brückenzweigen sind Meßfühler vorgesehen. Als Meßfühler sind die beiden Primärwicklungen eines Stromwandlers vorgesehen, die gegensinnig in zwei

diagonale Brückenzweige geschaltet sind. Weiterhin sind die Sekundärwicklungen des Stromwandlers über einen Gleichrichterund einen Brückenwiderstand mit dem Eingang einer Abtast- und Haltestufe verbunden, die mit einem elektronischen Abtastschalter versehen ist, und an deren Ausgang der Laststromwert ansteht. Zu dessen Auswertung wird der elektronische Abtastschalter in dem Zeitpunkt geschlossen, in dem der schmale, an der Sekundärwicklung vorhandene Impuls repräsentativ für den Laststrom ist. Eine weitere Voraussetzung ist das Magnetisieren des Wandlerkernes ausschließlich in dem Zeitintervall, in dem der Laststrom während einer Ansteuerpause in einem der beiden Freilaufkreise des Gleichstrom-Umkehrstellers zirkuliert. Auf diese Weise wird eine potentialfreie betragsmäßige Erfassung in ausgewählten Zeitbereichen ermöglicht, in dem der Abtastschalter über eine mit den gleichzeitig auch der. elektronischen Schaltern zugeführten Steuerimpulsen beaufschlagten Logikschaltung angesteuert wird.

Nachteilig bei den bekannten Lösungon ist es, daß sie keinen vollständigen Schutz gegen Kurzschlüsse, Überströme und Überschreitungen der zulässigen Kühlkörperleistung aufweisen, die für die abschaltbaren Halbleiterbauelemente schädlich sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei einer Schaltungsanordnung zum vollständigen Überlastschutz von abschaltbaren Halbleiterbauelementen in Ansteuereinheiten für elektrische Antriebe, mit geringem Aufwand eine hohe Zuverlässigkeit zu erreichen.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum vollständigen Überlastschutz von abschaltbaren Halbleiterbauelementen in Ansteuereinheiten für elektrische Antriebe zu schaffen, die bestehend aus einer Ansteuerlogik für sich in Reihe mit Einheiten zum potentialfreien Erfassen des Betrages und der Richtung des Ankerstromes und einer Motorlast zwischen einer negativen und positiven Potentialleitung und auf einem gemeinsamen Kühlkörper, mit abschaltbaren Halbleiterbauelementen als Schalter ausgerüsteten elektronischen Schalteinheiten, gleichzeitig auf Kurzschlüsse der elektronischen Schalteinheiten, Überströme im Motorzweig und bei Überschreitungen der Kühlkörperleistung nach für die einzelnen Überlastungsarten getrennt festgelegten Zeiten anspricht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß den elektronischen Schalteinheiten zugeordnete Kurzschlußerfassungseinheiten direkt zu einer zentralen Fehlererfassungseinheit geführt sind. An dieser Fehlererfassungseinheit ist ebenfalls die Einheit zum Erfassen des Ankerstromes als Überstromerfassungseinheit über einen ersten Komparator und eine erste Zeitstufe angeschlossen. Über einen zweiten Komparator und eine zweite Zeitstufe ist eine mit dem Kühlkörper gekoppelte Kühlkörpertemperaturerfassungseinheit mit der zentralen Fehlererfassungseinheit verbunden, die ausgangsseitig an die Ansteuerlogik angeschlossen ist. Vorteilhafterweise liegen in den einzelnen Kurzschlußerfassungseinheiten eine aktive Treiberstufe mit einer Diode in Reihe.

Austührungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an iinc,? /,usführungsbeispiel näher eräutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1: das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung für den Überlastschutz gemäß der Erfindung, Fig. 2: eine Schaltungsvariante für den Überlastschutz von Leistungstransistoren für eine Antriebssteuerung.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung für den Überlastschutz gemäß der Erfindung enthalten. Auf einem Kühlkörper KK befinden sich vier elektronische Schalteinheiten ESE1 bis ESE4, die als Brücke geschaltet sind. Außerhalb des Kühlkörpers KK sind in der einen Brückendiagonalen in Reihe eine Strombegrenzungseinheit SB, eine Einheit SE zum potentialfreien Erfassen des Betrages und der Richtung des Ankerstromes und eine Antriebseinheit AE und in der anderen Diagonale die Anschlüsse für die positive und negative Potentialleitung PPL; NPL angeordnet. Die elekti onischen Schalteinheiten ESE1 bis ESE4 sind wechselseitig mit Kurzschlußerfassungseinhe ;en KSE1 bis KSE 4 verbunden, die mit einem weiteren Eingang an einer Ansteuerlogik ASL und mit ihren Ausgängen an einer zentralen Fehlererfassungseinheit ZEE liegen. Die Einheit SE zum potentialfreien Erfassen des Betrages und der Richtung des Ankerstromes ist über einen ersten Komparator KP 1 mit einem Eingang für den Stromsollwert SSW und eine erste Zoitstufe ZS1, und der Kühlkörper KK über eine Temperaturerfassungseinheit TEE, einen zweiten Komparator KP2 mit einem Eingang für den Temperatursollwert TSW und eine zweite Zeitstufe ZS 2 ebenfalls an die zentrale Fehlererfassungseinheit ZFS angeschlossen. Der Ausgang der zentralen Fehlererfassungseinheit ZFS ist mit dom Eingang der Ansteuerlogik ASL verbunden. Fig. 2 zeigt eine Schaltungsvariante für den Übei lastschutz von Leistungstransistoren LT1 bis LT4 für eine Antriebssteuerung. Als elektronishe Schalteinheiten ESE1 bis ESE4 und Kurzschlußerfassungseinheiten KSE1 bis KSE4 sind Leistungstransistoren LT1 bis LT4 mit den zugehörigen Freilaufdioden FD1 bis FD4 und Widerständen LR1 bisLR4und parallel dazu aktive Treiberstufen AT1 bis AT4 in Reihe mit Dioden D1 bis D4 angeordnet, wobei nur die erste elektronische Schalteinheit ESE1 und die erste Kurzschlußerfassungseinheit KSE1 vollständig dargestellt sind. In einer Diagonale der Brückenschaltung sind in Reihe als Strombegrenzungseinheit SB eine Drossel SD, als Stromerfassungseinheit SE der Stromwandler SW und als Antriebseinheit AE der Gleichstrommotor GM angeordnet.

Als Temperaturerfassungseinheit TEE wird ein tempsraturempfindlicher Widerstand TR, und als Komparator KP1, KP2 werden Operationsverstärker OV1.OV2 verwendet.

Die Anordnung arbeitet auf folgende Weise.

Um abschaltbare Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungsschalttransistoren, vollständig gegen Überlastung zu schützen, sind in Abhängigkeit von den auftretenden Fehlerarten und der maximal zulässigen Zeitdauer für das Vorhandensein dieser Fehlerarten die drei Bereiche, Kurzschluß, Überstrom und Kühlkörperleistungsüberschreitung, zu unterscheiden. Wenn am abschaltbaren Halbleiterbauelement ein Kurzschluß entsteht, dann ist für einen Zeitraum von wenigen Mikrosekunden mit einer sehr hohen Energie, die dem drei- bis fünffachen maximal zulässigen Kollektordauerstrom entspricht, zu rechnen. Ein Überstrom ist eine Belastung durch einen Strom im Bereich des maximal zulässigen Kollektordauerstromes und des absoluten Spitzenstromes für die Zeit von 1 ms. Ein weiterer Überlastungsfall tritt dann auf, wenn bei einem Strom der Größe bis einschließlich des Kollektordauerstromes über einen längeren Zeitraum in der Größenordnung von mehreren Stunden die Transistorverlustleistung größer als die durch den Kühlkörper KK umsetzbare Leistung ist. Diese drei Überlastungsarten werden durch drei Arten von Auswerteschaltungen, den elektronischen Schalteinheiten ESE1 bis ES4 zugeordnete Kurzschlußerfassungseinheiten KSE1 bis KSE 4, einer Überstromerfassungseinheit SE und einer Temperaturerfassungseinheit TEE überwacht und der zentralen Fehlererfassungseinheit ZFE übermittelt, die die Fehler speichert, anzeigt und im Sperrsignal zum Verhindern des Wiedereinschaltens der elektronischen Schalteinheiten ESE1 bis ESE4 vor dem Beseitigen der Havarie erzeugt.

Kurzschlüsse werden durch die aktiven Treiberstufen AT1 bis AT4 erfaßt, die direkt mit den Kollektor- und Emitteranschlüssen der Leistungstransistoren LT1 bis LT4 verbunden sind. Das kann durch die Überwachung der Sättigungsspannung der Leistungstransitoren LT1 bis LT4 oder durch eine Messung des Kollektorstromes mit einem Shunt und Komparator erfolgen. Die aktiven Treiberstufen AT1 bis AT4 sorgen außerdem dafür, daß der betreffende Leistungstransistor LT1 bis LT4 innerhalb weniger Mikrosekunden abschaltet, ohne daß der SOAR-Bereich verlassen wird. Der Schaltzustand der Leistungstransistoren LT1 bis LT4 wird an die zentrale Fehlererfassungseinheit ZFE gemeldet, die ein Ansprechen des SOAR-Schutzes der aktiven Treiberschaltungen AT1 bis AT4 erkennt, den Fehler speichert, anzeigt und ein Wiedereinschalten verhindert. Ein Überschreiten des zulässigen Dauerstromes bzw. das Auftreten von Überströmen gefährdet ebenfalls den Leistungstransistoren LT1 bis LT4, ohne daß dabei der absolute Spitzenstrom erreicht wird.

Die SOAR-Schutzschaltung der aktiven Treiberstufen AT1 bis AT4 spricht in diesem Bereich nicht an, und deshalb wird der Ausgangsstrom des Leistungsteiles mittels des Stromwandlers SW entsprechend der Stromistwerterfassung des Stromreglers und der Grenzwert des Kollektordauerstromes mit dem ersten als Komparator KP1 arbeitenden Operationsverstärker OV1 erfaßt. Ein Überschreiten dieses Grenzwertes aktiviert die erste Zeitstufe ZS1, die innerhalb weniger Millisekunden die zentrale Fehlererfassu^gseinheit ZFE aktiviert und zum Abschalten der Leiitungstransitoren LT1 bis LT4 führt. Die Schaltverzögerungszeit hängt dabei von den technischen Parametern der Leistungstransistoren LT1 bis LT4 ab. Wenn die Leistungstransistoren LT1 bis LT4 weiterhin den thermisch begrenzten Dauerstrom überschreiten und/oder die Kühlung ausfällt, wird eine größere Verlustleistung erzeugt, als der Kühlkörper KK verarbeiten kann, d. h. die maximal zulässige Chiptemperatur der Leistungstransistoren LT1 bis LT4 wird überschritten. Das wird durch die Überwachung der Temperatur des Kühlkörpers KK mittels der Temperaturerfassungseinheit TEE festgestellt, und eine Überschreitung des zulässigen Temperatursollwertes TSW mittels des zweiten Operationsverstärkers OV2, der als zweiter Komparator KP2 arbeitet, und der zweiten Zeitstufe ZS 2 zur zentralen Fehlererfassungseinheit ZFE gemeldet. Damit wird ein Überlastungsschutz für Kurzschlüsse, Überströmme und Temperaturüberschreitungen bei abschaltbaren Halbleiterbauelementen zu jedem Zeitpunkt vollständig und ausreichend gewährleistet.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zum vollständigen Überlastschutz von abschaltbaren Halbleiterbauelementen in Ansteuereinheiten für elektrische Antriobe, die eine Ansteuerlogik für sich in Reihe mit einer Einheit zum potentialfreien Erfassen des Betrages und der Richtung des Ankerstrcmes und einer Motorlast zwischen einer negativen und positiven Potentialleitung und auf einem gemeinsamen Kühlkörper befindlichen elektronischen Schalteinheiten enthält, gekennzeichnet dadurch, daß den elektronischen Schalteinheiten (ESE 1 bis ESE 4) zugeordnete Kurzschlußerfassungseinheiten (KSE 1 bis KSE4) direkt, die Einheit (SE) zum Erfassen des Ankerstromes als Überstromerfassungseinheit über einen ersten Komparator (KP 1) und eine erste Zeitstufe (ZS 1) und ein mit dem Kühlkörper (KK) gekoppelte Kühlkörpertemperaturerfassungseinheit (KTE) über einen zweiten Komparator (KP2) und eine zweite Zeitstufe (ZS 2) parallel zu einer zentralen, ausgangsseitig an die Ansteuerlogik (ASL) angeschlossene Fehlererfassungseinheit (ZFE) gefühlt sind.

2. Schaltungsanordnung zum vollständigen Überlastschutz von abschaltbaren Halbleiterbauelementen in Ansteuereinheiten für elektrische Antriebe, nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in den Kurzschlußerfassungseinheiten (KSE 1 bis KSE4) eine aktive Treiberstufe (AT 1 bis AT4) und eine Diode (D 1 bis D4) in Reihe liegen.