Schaltvorrichtung zum Betreiben eines Motors und entsprechen¬ des Verfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung zum Betreiben eines Motors mit einer mechanischen Kontaktein¬ richtung, die zwischen zwei Anschlüssen angeordnet und die in einer Dauerbetriebsphase des Motors zur Überbrückung der An¬ schlüsse einschaltbar ist, und einer Halbleitereinrichtung, die zu der Kontakteinrichtung parallel geschaltet ist und die zwischen den beiden Anschlüssen in einer Startphase des Mo¬ tors zur leitenden Verbindung der Anschlüsse einschaltbar ist.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein ent¬ sprechendes Verfahren zum Betreiben eines Motors mit einer derartigen Schaltvorrichtung.

Bei heute bekannten elektronischen Motorstartern ist die Pa¬ rallelschaltung von Halbleiterelementen und mechanischen Kon¬ takten üblich. Im Dauerbetrieb werden die Halbleiterelemente durch die mechanischen Kontakte überbrückt. Dadurch entstehen im Dauerbetrieb statt der vergleichsweise hohen Verlustleis¬ tungen der Halbleiterelemente nur die geringen Verlustleis¬ tungen des mechanischen Kontaktsystems. Das mechanische Kon¬ taktsystem (im Weiteren als Bypasskontakte bzw. Bypasskon- taktsystem bezeichnet) ist aus wirtschaftlichen Gründen heute üblicherweise ohne Lichtbogenlöschvorrichtung ausgestattet.

Um eine Zerstörung des Bypasssystems beim betriebsmäßigen Stromübergang vom Halbleiterelement auf das Bypasskontaktsys- tem und umgekehrt zu vermeiden, werden die Halbleitersysteme und das Bypasskontaktsystem durch geeignete Steuerabläufe so angesteuert, dass es nur zu einer minimalen Lichtbogenbildung kommt. Unter betriebsmäßigem Stromübergang werden die Übergänge vom Halbleiterelement auf das Bypasskontaktsystem und umgekehrt verstanden, die beim Wechsel zwischen betriebsmäßigen Steuer- zuständen auftreten. Beispielhaft sei der Übergang vom Hoch¬ lauframpenende in den Dauerbetrieb (auch als Bypassphase be¬ zeichnet) genannt.

Werden die Steuerabläufe durch Fehler des Bypasskontaktsys- tems gestört, kann sich folgendes Problem ergeben: Wegen der fehlenden Lichtbogenlöschvorrichtung entsteht ein Stehlicht¬ bogen, der zu einer thermischen Zerstörung des kompletten Ge¬ räts führen kann. Derartige Fehler des Bypasskontaktsystems sind beispielsweise: Bruch des Spulendrahtes, Bruch der Hauptkontaktfeder, Ausfall der Ansteuerung des Bypasskontakt¬ systems und Ausfall der Versorgungsspannung des Bypasssys- tems.

Zur Vermeidung der Lichtbogenbildung werden nach bekanntem Stand der Technik (z.B. US-Patent 4,618,906 "Hybrid Solid State/ Mechanical Switch with Failur.e Protection", EP 0 926 809 Bl bzw. US 6,111,377 "Control Device for a multiphase e- lectric Motor") in einer solchen Parallelschaltungsanordnung die Halbleiterelemente vor dem Einschaltbefehl für die By- passkontakte eingeschaltet und erst wieder, nachdem die By- passkontakte per Befehl geöffnet worden sind, ausgeschaltet. Damit wird ein lichtbogenarmes Ein- und Ausschalten der By- passkontakt erreicht.

Eine weitere Möglichkeit stellt eine hardwaregesteuerte Zwangszündung der Halbleiterelemente dar, wie sie in DE 20014351 Ul genannt ist.

Eine andere Möglichkeit ist das dauerhafte Einschalten der Halbleiterelemente in der gesamten Bypassphase. Dies hat je¬ doch eine Reihe von Nachteilen: • Es ist eine größere Dimensionierung der Ansteuerelektro¬ nik für die Halbleiterelemente notwendig, woraus sich eine höhere Verlustleistung in der Ansteuerelektronik durch höhere Stromaufnahme und höhere Geräteinnentempe- ratur ergibt.

• Ferner ist keine Kontrolle der Stromführung {Halbleiter¬ element oder Bypass) möglich.

• Bei hohen Übergangswiderständen an den Bypasskontakten erfolgt der Stromfluss ausschließlich über die Halblei¬ terelemente, so dass eine thermische Überlastung der Halbleiterelemente eintreten kann.

Zur Vermeidung dieser Nachteile können, wie erwähnt, die Halbleiterelemente jeweils kurz nach dem lichtbogenarmen Ein¬ schalten der Bypasskontakte ausgeschaltet und kurz vor dem lichtbogenarmen Ausschalten der Bypasskontakte wieder einge¬ schaltet werden. Damit wird eine Stromführung über die By- passkontakte erzwungen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die oben genannten Nachteile zu vermeiden, insbesondere ein fehlerhaftes Öffnen der Bypasskontakte bei ausgeschalteten Halbleiterelementen zuverlässig zu erkennen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schalt¬ vorrichtung zum Starten eines Motors mit einer mechanischen Kontakteinrichtung, die zwischen zwei Anschlüssen angeordnet und die in einer Dauerbetriebsphase des Motors zur Überbrü¬ ckung der Anschlüsse einschaltbar ist, und einer Halblei¬ tereinrichtung, die zu der Kontakteinrichtung parallel ge¬ schaltet ist und die zwischen den beiden Anschlüssen in einer Startphase des Motors zur leitenden Verbindung der Anschlüsse einschaltbar ist, sowie einer Spannungsüberwachungseinrich- tung zum Überwachen der Spannung an den Anschlüssen und zum Einschalten der Halbleitereinrichtung, falls die Spannung ei¬ nen vorgegebenen Wert übersteigt.

Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Motors mit einer derartigen Schaltvorrichtung vorgesehen, wobei die Spannung an den Anschlüssen überwacht und die Halbleiterschaltung eingeschaltet wird, falls die Spannung einen vorgegebenen Wert übersteigt .

In vorteilhafter Weise kann damit ein Lichtbogen in einer Pa¬ rallelschaltungsanordnung von Halbleiterelementen und Bypass- kontakten ohne mechanische Lichtbogenlöschvorrichtung bei ausgeschalteten Halbleiterelementen zuverlässig erkannt wer¬ den. Durch entsprechendes Reagieren auf den Lichtbogen, in dem die Halbleiterelemente in geeigneter Weise eingeschaltet werden, kann eine gezielte und definierte Stromführung über die Halbleiterelemente erreicht und Schädigungen am Gerät durch den Lichtbogen vermieden werden. Darüber hinaus kann eine zuverlässige Überwachung und Auswertung (z.B. Fehlermel- düng) des mechanischen Kontaktsystems gewährleistet werden.

Vorzugsweise besitzt die Halbleitereinrichtung zwei antipa¬ rallel geschaltete Thyristoren. Diese lassen sich zu defi¬ nierten Zeitpunkten elektronisch zünden und ermöglichen ein sehr rasches An- und Abschalten. Somit lässt sich die Effek¬ tivspannung beispielsweise zum Starten eines Motors kontinu¬ ierlich steigern.

Die erfindungsgemäße Spannungsüberwachungseinrichtung kann einen Analogwandler, ein Schwellwertvergleichselement und ei¬ ne Steuereinheit aufweisen, so dass ein analoges Spannungs¬ signal mit einem Schwellwert vergleichbar und ein resultie¬ rendes, binäres Vergleichsergebnis als Eingangssignal für die Steuereinheit zum Schalten der Halbleitereinrichtung einsetz- bar ist. Durch diese analoge Auswertung kann eine einfache und kostengünstige Spannungsüberwachung erreicht werden. Alternativ kann die Spannungsüberwachungseinrichtung eine Steuereinheit umfassen, in die ein Analog/Digitalwandler und ein Schwellwertvergleichselement integriert sind, so dass ein digitalisiertes Spannungssignal mit einem Schwellwert ver- gleichbar und ein resultierendes Vergleichsergebnis zum Schalten der Halbleitereinrichtung durch die Steuereinheit einsetzbar ist. Damit sind sämtliche Komponenten für die di¬ gitale Spannungsüberwachung in die Steuereinheit integriert, was gegebenenfalls zu Montagevorteilen führt.

Der Spannungsbereich der überwachten Spannung sollte die an der Kontakteinrichtung auftretende Lichtbogenspannung ein¬ schließen. Somit lässt sich das Auftreten eines Lichtbogens zielgerecht erfassen.

Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung weist die erfindungs¬ gemäße Schaltvorrichtung eine Abschalteinrichtung zum Aus¬ schalten der Halbleitereinrichtung nach einer definierten Zeitdauer oder Periodenzahl eines Spannungsverlaufs im An- Schluss an das Einschalten der Halbleitereinrichtung durch die Spannungsüberwachungseinrichtung auf. Bei reversiblen, kurzzeitigen Unterbrechungen wird nach dem Einschalten der Halbleitereinrichtung wieder in den verlustarmen Dauerbetrieb mit der mechanischen Kontakteinrichtung geschaltet.

Besonders bevorzugt ist, wenn die Abschalteinrichtung ein Störmeldesignal ausgibt, falls die Halbleitereinrichtung durch die Spannungsüberwachungseinrichtung mehrmals in einem vorgegebenen Zeitabschnitt eingeschalte wird. Dieses mehrma- lige Einschalten der Halbleitereinrichtung deutet nämlich auf einen irreversiblen Fehler hin, so dass es aus Sicherheits¬ gründen angebracht sein kann, mit dem Störmeldesignal ein ex¬ ternes, vorgeschaltetes und in Serie zur Schaltvorrichtung liegendes Schaltorgan zu betätigen, um den Stromfluss zu un- terbrechen und entsprechende Reparaturmaßnahmen einzuleiten. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist die Integration eines Schaltorgans in die Schaltvorrichtung. Dieses Schaltor¬ gan liegt in Serie zur Parallelschaltung aus mechanischer Kontakteinrichtung und Halbleitereinrichtung und wird im FaI- Ie eines irreversiblen Fehlers von der Steuereinheit betä¬ tigt, um den Stromfluss zu unterbrechen.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:

FIG 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsge¬ mäßen Schaltvorrichtung; und

FIG 2 Signalverlaufsdiagramme der erfindungsge- mäßen Schaltvorrichtung.

Die nachfolgende näher beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin¬ dung dar.

Das Ausschalten der Halbleiterelemente in der Bypassphase stellt eine Grundvoraussetzung für die Arbeitsweise des hier beschriebenen elektronischen Lichtbogenerkennungs- und Lösch¬ systems dar.

Die Erfindung zielt darauf ab, den nicht betriebsmäßigen Zu¬ stand des Öffnens der Bypasskontakte (z.B. durch einen Feh¬ lerfall oder eine mechanische Beanspruchung) innerhalb der Bypassphase zu erkennen und so zu reagieren, dass es bei re- versiblen Fehlern nicht zu einer irreparablen Schädigung der Kontakte durch die Lichtbogenbildung kommt. Bei irreversib¬ len Fehlern soll es nicht zu einer thermischen Zerstörung des Geräts durch einen Stehlichtbogen kommen und die Auswirkungen eines solchen Fehlers sollen auf das Gerät selbst beschränkt bleiben. Reversible Fehler sind in diesem Zusammenhang beispielsweise eine kurzzeitige Unterbrechung oder ein Ausfall der Steuer¬ spannung des Spulenantriebs des Bypasskontaktsystems, was zum ungewollten Öffnen der Kontakte führt. Reversible Fehler sind aber auch mechanische Erschütterungen, die ebenfalls zum un¬ gewollten Öffnen der Kontakte führen. Als irreversible Fehler können ein Bruch des Spulendrahts des Spulenantriebs, ein Bruch der Hauptkontaktfeder des Bypasskontaktsystems oder ein Bauteildefekt in der Ansteuerung des Spulenantriebs bezeich- net werden.

Um das ungewollte Öffnen der Bypasskontakte erkennen zu kön¬ nen, wird erfindungsgemäß die Spannung über der Parallel¬ schaltungsanordnung erfasst. Bei geschlossenen Bypasskontak- ten fällt nahezu keine Spannung über der Parallelschaltung ab. Öffnen die Bypasskontakte, entspricht die entstehende Spannung der Lichtbogenspannung zwischen den Bypasskontakten.

Die Lichtbogenspannung kann entsprechend FIG 1 mit einem Spannungserfassungskreis detektiert werden. Hierbei wird die Spannung an .der Parallelschaltungsanordnung bestehend aua, den mechanischen Kontakten bzw. dem Bypasskontaktsystem 1 und der hierzu parallel geschalteten Halbleitereinrichtung 2, über¬ wacht. Die Halbleitereinrichtung 2 besteht hier aus einer An- tiparallelschaltung von zwei Thyristoren 3 und 4.

Die an der Parallelschaltungsanordnung anliegende Spannung Up wird in einer Spannungsüberwachungseinrichtung 5 erfasst und zur Ansteuerung der Halbleitereinrichtung 2 bzw. der Thy- ristoren 3 und 4 sowie des Bypasskontaktsystems 1 verwendet. Die Spannungsüberwachungseinrichtung besteht hierzu aus einem Analogwandler 6, einem Schwellwertvergleichselement 7 und ei¬ ner daran angeschlossenen Steuereinheit 8. Der Analogwandler 6 setzt das analoge Spannungssignal Up in eine analoge Span- nung Uap geeigneter Höhe zum Zwecke der Pegelanpassung um. Das nachgeschaltete Schwellwertvergleichselement 7 bewirkt einen Vergleich des analogen Spannungssignals Uap mit einem vorbestimmten Schwellwert. Das digitale Ausgangssignal Udp dieses Schwellwertvergleichselements 7 wechselt seinen Pegel, sobald das digitale Spannungssignal den Schwell- bzw. Grenz¬ wert überschreitet oder unterschreitet. Das Ausgangssignal Udp des Schwellwertvergleichselements 7 wird von der Steuer¬ einheit 8 dazu verwendet, um die Thyristoren 3 und 4 sowie das Bypasssystem 1 anzusteuern. Die Steuerleitungen sind in FIG 1 der Übersicht halber lediglich durch einen Pfeil aus der Steuereinheit 8 angedeutet .

Optional kann an der Steuereinheit 8 ein Stormeldekontakt 9 zur Ausgabe eines Stormeldesignals vorgesehen sein. Des Wei¬ teren kann vor die Parallelschaltung aus Halbleitereinrich- tung 2 und mechanischer Kontakteinrichtung 1 ein Schaltorgan 10 in Reihe geschaltet werden, mit welchem im Falle eines De¬ fekts der Halbleitereinπchtung 2 oder der Kontakteinrichtung 1 der Stromfluss unterbrochen oder abgeschaltet werden kann.

In einem alternativen Aufbau kann der Analog/Digitalwandler und das Schwellwertvergleichselement in die Steuereinheit in¬ tegriert sein. In diesem Fall wird das analoge Spannungssig¬ nal Up direkt an einen A/D-Eingang der Steuereinrichtung ge¬ legt und die Spannungsgrenzwertüberwachung innerhalb der Steuereinrichtung durchgeführt. Das oben beschriebene Verhal- ten des digitalen Signals Udp hinsichtlich Pegel- und Flan¬ kenwechsel wird dabei vollständig in der Steuereinrichtung überwacht und verwertet.

Wird eine Lichtbogenspannung detektiert, veranlasst die Steu- ereinrichtung eine sofortige Einschaltung der Halbleiterele- mente 3, 4. Der Stromfluss wird damit schnellstmöglich von den Halbleiterelementen übernommen und die Spannung an der Parallelschaltung geht auf die geringe Durchlassspannung der Halbleiterelemente zurück. Der Lichtbogen wird somit ge- loscht. Durch den Einsatz eines elektronischen Lichtbogenerkennungs- (bzw. Kontaktüberwachungssystems) und Löschsystems ergeben sich einen Reihe von Vorteilen:

• ein Einsatz von Bypasskontakten ohne mechanische Licht¬ bogenlöschvorrichtung und somit ein einfacher, kompakter und kostengünstiger Aufbau der Kontakte wird ermöglicht;

• die Überwachung des mechanischen Kontaktsystems (Bypass- System) wird ermöglicht, insbesondere wird ein Bruch der Kontaktfeder erkannt und der entstehende Lichtbogen ge¬ löscht;

• im fehlerfreien Betrieb erfolgt eine definierte Strom- führung über die Bypasskontakte;

• ein Schutz der Bypasskontakte vor irreparabler Lichtbo¬ genschädigung wird gewährleistet; und

• es erfolgt eine zuverlässige Erkennung des fehlerhaften Öffnens der Bypasskontakte bei ausgeschalteten Halblei¬ terelementen und somit eine sichere Fehlererkennung (Bruch Spulendraht, Bruch Kontaktfeder, etc)

FIG 2 zeigt schematisch die Signalverläufe der Spannung Up in der Parallelschaltungsanordnung 2 und das daraus abgeleitete digitale Signal Udp, die Ansteuersignale für die Thyristoren und die Bypasskontakte sowie die zugehörigen Stromverläufe, die bei Auftreten einer Öffnung der Bypasskontakte in Verbin- düng mit dem elektronischen Lichtbogenerkennungs- und Lösch¬ system entstehen. Dabei entspricht IThyristor dem Strom durch die antiparallel geschalteten Thyristoren 3, 4, Ißypass dem Strom durch das Bypasssystem und iGesamt der Summe aus Iτhyrxstor Und Ißypαss . Die Arbeitsweise des elektronischen Lichtbogenerkennungs- und Löschsystems lässt sich anhand von FIG 2 wie folgt beschrei¬ ben:

Bei geschlossenen Bypasskontakten fällt nahezu keine Spannung Up über der Parallelschaltung ab und der Pegel des digitalen Spannungssignals Udp ist konstant. Öffnet ein Bypasskontakt (z.B. durch einen reversiblen Fehlerfall wie Ausfall der Ver¬ sorgungsspannung des Bypasssystems oder eine mechanische Be- anspruchung oder einen irreversiblen Fehler wie Bruch der Kontaktfeder oder Bruch des Spulendrahts) zum Zeitpunkt t0/ so wird sich innerhalb der Parallelschaltung eine Spannung Up aufbauen, die der Lichtbogenspannung UL zwischen den Bypass¬ kontakten entspricht. Überschreitet die Lichtbogenspannung UL einen zulässigen Spannungsgrenzwert, so erfolgt ein Pegel¬ wechsel des digitalen Spannungssignals Udp. Ausgehend von der Flanke, die durch den Pegelwechsel des digitalen Spannungs¬ signals Udp entsteht, veranlasst die Steuereinrichtung 8 zum Zeitpunkt ti eine sofortige Einschaltung der Halbleiterele- mente 3, 4. Der Stromfluss wird damit schnellstmöglich von den HalbleitereLementen 3, 4 (vgl. I-rhyristor) übernommen und die Spannung Up an der Parallelschaltung geht auf die geringe Durchlassspannung der Halbleiterelemente zurück. Der Lichtbo¬ gen wird somit gelöscht.

Zu einem Zeitpunkt t2, der beispielsweise zwei bis drei Halb¬ wellen der Wechselspannung nach dem Zeitpunkt ti liegt, schaltet die Steuereinheit 8 die Thyristoren wieder aus bzw. beendet deren Zünden. Daraufhin muss der nächste Nulldurch- gang des Thyristorstroms Imyristor zum Zeitpunkt t3 abgewartet werden, damit die Thyristoren 3, 4 erlöschen können, so dass die Schaltvorrichtung abgeschaltet ist. Dementsprechend steigt die Spannung Up an der Parallelschaltung auf den aktu¬ ellen Spannungswert der Schaltvorrichtung an. Dieser betrags- mäßige Spannungsanstieg wird durch das Schwellwertvergleichs- element 7 detektiert, womit das digitale Signal Udp einen Pe¬ gelwechsel vollzieht. Auch im Anschluss daran, wenn das ana- löge Spannungssignal Up einen Nulldurchgang vollzieht, finden entsprechende Pegelwechsel des digitalen Signals Udp in Ab¬ hängigkeit des gewählten Schwellwerts vor und nach dem Null¬ durchgang statt.

Das soeben dargestellte Abschalten der Schaltvorrichtung er¬ folgt jedoch typischerweise nicht nach dem Erkennen eines ersten Lichtbogens, denn dieser Lichtbogen könnte durch einen reversiblen Fehler ausgelöst worden sein. Vielmehr wird das Bypasssystem nach einer vorbestimmten Zeit wieder eingeschal¬ tet und die Thyristoren 3 und 4 ausgeschaltet, so dass die Schaltvorrichtung im Normalbetrieb weiterläuft und es zu kei¬ ner Unterbrechung des Stromes iGesamt gekommen ist. Wird inner¬ halb einer bestimmten Zeitspanne erneut ein oder mehrere Lichtbögen festgestellt, so kann diese Tatsache genutzt wer¬ den, um die Schaltvorrichtung in einen sicheren Zustand zu überführen. Die Ursache der mehreren Lichtbögen wird nämlich einer der oben beschriebenen irreversiblen Fehler sein.

Ein sicherer Zustand wird dadurch erreicht, dass die Thy¬ ristoren 3 und 4 beim Erkennen eines irreversiblen Fehlers dauerhaft eingeschaltet werden, um eine thermische Zerstörung der Schaltvorrichtung infolge von Lichtbögen zu verhindern. Die Thyristoren müssen auch eingeschaltet bleiben, wenn ein AUS-Signal an die Schaltvorrichtung gegeben wird, da wegen des irreversiblen Fehlers ein Öffnen der mechanischen Kon¬ takteinrichtung nicht mehr möglich ist.

Dies stellt insofern keinen schwerwiegenden Nachteil dar, weil erstens dieser Fehlerfall dem von durchlegierten Thy¬ ristoren entspricht und dieser Fehlerfall durch entsprechende vorgeordnete Absicherungen/Schaltorgane immer beherrscht wer¬ den muss und zweitens die als irreversibel bezeichneten Feh¬ ler nur extrem selten auftreten.

Die Überführung der Schaltvorrichtung in den sicheren Zustand kann auch dadurch erfolgen, dass von der Steuereinheit 8 ein Störmeldesignal abgegeben wird, welches z.B. ein externes, vorgeordnetes und zur Schalteinrichtung in Serie liegendes Schaltorgan ausschaltet und damit den Stromfluss unterbricht. Die Überführung in den sicheren Zustand kann ferner dadurch erfolgen, dass die Steuereinheit 8 ein in der Schaltvorrich¬ tung vorhandenes Schaltorgan unterbricht, welches in Serie zur Parallelschaltung aus Halbleitereinrichtung und mechani¬ scher Kontakteinrichtung liegt.