Beschreibung

Durchgängigkeitsüberwachung eines Energieübertragungselementes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchgängigkeitsüberwachung eines Energieübertragungselementes für einen Schutzleiter sowie eine elektrische Maschine mit einer derartigen Durchgängigkeitsüberwachung .

Ein derartiges Verfahren kommt insbesondere bei Werkzeug- und Produktionsmaschinen wie z.B. Mehrspindel-Drehautomaten und Rundtaktmaschinen zum Einsatz, bei denen Elektromotoren (vorzugsweise Drehfeldmaschinen) auf einem rotatorisch bewegten Maschinenteil angeordnet sind. Die Antriebsregelung sowie die Leistungselektronik (netzgeführter Gleichrichter, selbstgeführter Gleichrichter oder ungeregelter Gleichrichter und der/die Wechselrichter) zum Betreiben der Motoren sind in der Regel in einem Schaltschrank angeordnet. Die Leistungsleitun- gen und ggf. Encoderleitungen (Encoder im Motor zur Lage- und Drehzahlerfassung) werden aus dem Schaltschrank heraus zu den Motoren geführt. Allerdings verschleißen die Leitungen durch die permanente Biege- und Torsionsbeanspruchung sehr schnell, wobei das Auswechseln der Leitungen bei Defekt durch die meist komplexe Maschinenkonstruktion sehr aufwendig ist. Darüber hinaus ist bei Verwendung von Leitungen zur Energieübertragung (d.h. insbesondere zwischen feststehendem und rotatorisch bewegtem Maschinenteil) kein „Endlosdrehen" des bewegten Maschinenteils zur weiteren Verkürzung der Werkstück- Bearbeitungszeiten möglich.

Die Funktion „Endlosdrehen" wird derzeit immer attraktiver, und es gibt bereits Maschinen mit dieser Funktion. Dabei ist entweder Gleich- und Wechselrichter oder nur der Wechselrich- ter auf dem bewegten Maschinenteil angeordnet. Die Energie wird entsprechend als Zwei-Phasen-Gleichspannung oder Drei- Phasen-Wechselspannung (Netzspannung) übertragen. Die Ener-

gieübertragung erfolgt heute vorzugsweise über Schleifringe, da die induktive übertragung einen erheblichen Mehraufwand an Leistungselektronik (bzgl. Kosten, Bauvolumen und Entwärmung) inklusive übertrager (Drehtransformator) bedeutet. Eine wei- tere Variante ist aus der WO 2005/062432 Al bekannt, bei der anstelle der herkömmlichen Kupferschleifringkontakte Flüssigmetalllegierungen verwendet werden. Bei beiden Varianten ist der hauptsächliche Aufwands- und Kostenfaktor die Anzahl der Energieübertragungselemente .

Gemäß den elektrischen Vorschriften ist der Schutzleiter eines Schutzleitersystems (zum Betreiben der Motoren) zusätzlich an dem bewegten Maschinenteil und der darauf befindlichen Elektronik anzuschließen. Nach der EN 60204-1 (13.8.2 Schutzleiterkreis) muss die Durchgängigkeit des Schutzleiterkreises über Schleifkontakte durch die Anwendung geeigneter Maßnahmen gewährleistet werden (z.B. Verdopplung der Stromabnehmer, Durchgängigkeitsüberwachung) . Es ist also entweder eine Durchgängigkeitsüberwachung erforderlich, oder es sind zwei Energieübertragungselemente für den Schutzleiter erforderlich. Dabei müssen diese Energieübertragungselemente entsprechend dem Betriebsstrom bzw. Vorschriften ausgelegt werden. (Für ein Energieübertragungselement mit 200 A Strombelastbarkeit sind ca. 2000,- € anzusetzen.)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Lösung für eine Durchgängigkeitsüberwachung für ein Energieübertragungselement für einen Schutzleiter anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Durchgängigkeitsüberwachung eines Energieübertragungselementes für einen Schutzleiter in einem ersten Stromkreis, - wobei der Schutzleiter auf einer ersten Seite des Energieübertragungselementes über eine Verbindungsleitung mit ei- ner Masse eines zweiten Stromkreises verbunden wird,

- wobei auf einer zweiten Seite des Energieübertragungselementes eine potentialfreie Spannungsversorgung zwischen Schutzleiter und Masse geschaltet wird,

- wobei mittels der potentialfreien Spannungsversorgung ein Stromfluss durch das Energieübertragungselement und die

Verbindungsleitung erzeugt wird und

- wobei mittels eines zwischen Schutzleiter und Masse auf der zweiten Seite des Energieübertragungselementes angeordneten überwachungselementes die Durchgängigkeit des E- nergieübertragungselementes anhand des von der potentialfreien Spannungsversorgung erzeugten Stromflusses überwacht wird.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine elektrische Maschi- ne mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Lösung macht sich zunutze, dass neben der Stromversorgung für den Motor (erster Stromkreis mit Schutzleiter) noch ein zweiter Stromkreis (mit einer Masse) für die Elektronik wie Antriebsregelung, Sensorik, Aktorik etc. vorgesehen ist. Dadurch, dass die Masse über den Schutzleiter geerdet wird, bietet genau diese Schutzleiter-Masse- Verbindung mit minimalem Zusatzaufwand die Möglichkeit für eine Durchgängigkeitsüberwachung des Energieübertragungsele- mentes für den Schutzleiter: Benötigt wird so lediglich noch eine Spannungsversorgung für die Erzeugung eines „Teststroms" sowie ein überwachungselement auf der der Schutzleiter-Masse- Verbindung gegenüberliegenden Seite des Energieübertragungselementes. Dieser „Teststrom" fließt über das Energieübertra- gungselement für den Schutzleiter, über die Verbindungsleitung zwischen Schutzleiter und Masse und über das - für die Funktion „Endlosdrehen" notwendigerweise vorhandene, aber nicht zwangsläufig zu überprüfende - Energieübertragungselement für die Masse zurück zu der Spannungs- bzw. Stromquelle. Dabei fließt der Teststrom - wie es nach den Vorschriften auch vorausgesetzt ist - nicht über den Schutzleiter an sich, sondern nur partiell im Bereich des Energieübertragungsele-

mentes über den Schutzleiter. Durch den Stromfluss über die Schutzleiter-Masse-Verbindung (und das Energieübertragungselement für die Masse) kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch gleichzeitig die ordnungsgemäße Verbindung zwischen Schutzleiter und Masse überprüft werden. Zur Prüfung auf Durchgängigkeit bzw. Niederohmigkeit kann von dem überwachungselement beispielsweise bei einer eingeprägten Spannung der Strom erfasst werden. Durch diese elektronische Durchgän- gigkeitsüberwachung ist in übereinstimmung mit den Vorschrif- ten bei einer Energieübertragung über z.B. einen Schleifring oder eine Schleifleitung für den Schutzleiter nur ein Energieübertragungselement erforderlich. Durch die Nutzung der Schutzleiter-Masse-Verbindung ist diese Lösung darüber hinaus mit wenig Aufwand und daher kostengünstig zu realisieren.

In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung wird zur Bestimmung der Durchgängigkeit des Energieübertragungselementes mittels des überwachungselementes ein Spannungsabfall zwischen Schutzleiter und Masse gemessen. Dies kann einfach durch einen von einer durch die potentialfreie Spannungsversorgung gespeisten Stromquelle eingeprägten Teststrom erzielt werden, wobei die Durchgängigkeit bzw. Niederohmigkeit durch Erfassen des entsprechenden Spannungsabfalls überprüft wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei Erreichen eines ersten Grenzwertes für die Durchgängigkeit ein Warnsignal ausgegeben. Dieses Warnsignal kann dabei auch über eine Kommunikation an eine übergeordnete Steuerung ausgegeben werden, an der der Fehler angezeigt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei Erreichen eines zweiten Grenzwertes für die Durchgängigkeit der erste Stromkreis unterbrochen. Somit wird beispielsweise ein Motor stillgelegt, wenn die Durchgängigkeit des Energieüber- tragungselementes für den Schutzleiter nicht mehr gewährleistet ist. Dabei kann der zweite Grenzwert auch dem ersten Grenzwert der vorherigen Ausführungsform entsprechen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die potentialfreie Spannungsversorgung aus dem zweiten Stromkreis über einen Gleichspannungswandler erzeugt. Auf diese Weise entfällt eine zusätzliche Stromversorgung wie beispielsweise eine Batterie für die Durchgängigkeitsüberwachung.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Durchgängigkeitsüberwachung zweikanalig ausgeführt. Durch diese redundante Realisierung wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird dabei die Durchgängigkeitsüberwachung mit Zwangsdynamisierung aus- geführt. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch schlafende Fehler in einem redundanten Zweig gefunden werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Energieübertragung im Energieübertragungselement über einen Schleifring und/oder Flüssigmetall. üblicherweise erfolgt die Stromzufuhr zu dem rotierenden Teil über Schleifringe. Diese Schleifringe unterliegen mechanischem Abrieb, also Verschleiß. Bei einer Energieübertragung über Flüssigmetall wird an dem feststehenden Teil und dem gegenüber diesem rotieren- den Teil jeweils eine Stromübertragungsfläche bereitgestellt, wobei die beiden Stromübertragungsflächen zwischen sich einen Spalt bilden, in den die Flüssigmetalllegierung eingebracht wird. Damit wird ein elektrischer Kontakt geschaffen und gleichzeitig die Drehbarkeit des rotierenden Teils gegenüber dem feststehenden Teil nicht beeinträchtigt. Darüber hinaus kann auch das Energieübertragungselement zur Erhöhung der Zuverlässigkeit - wenn auch auf Kosten der Kostenersparnis - redundant ausgelegt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der erste Stromkreis für eine Drei-Phasen-Wechselspannung ausgelegt. Es sind also neben dem Schutzleiter drei weitere Leiter mit

zugehörigen Energieübertragungselementen für den ersten Stromkreis vorzusehen. Diese Ausführungsform, die sich besonders für Wechselstrom-Motoren eignet, benötigt auch nur einen Wechselrichter für die Leistungselektronik, die sich auf dem rotierenden Teil befindet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der zweite Stromkreis als PELV-Stromkreis ausgelegt. PELV (Pro- tective Extra Low Voltage) , früher „Funktionskleinspannung mit sicherer Trennung", ist eine Schutzmaßnahme, bei der aktive Teile und Gehäuse eines Gerätes geerdet und mit einem Schutzleiter verbunden sein dürfen. „Sichere Trennung" bedeutet dabei, dass Primär- und Sekundärstromkreis des Transformators durch eine doppelte oder verstärkte Isolierung ge- trennt sein muss. Die höchstzulässige Nennspannung beträgt maximal 50 V bei Wechselstrom und 120 V bei Gleichstrom. Damit eignet sich ein PELV-Stromkreis sehr gut als zweiter Stromkreis zur Speisung der Elektronik (für beispielsweise Antriebsregelung, Sensorik und Aktorik) mit 24 V (Gleich- ström) .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.

Die Figur zeigt einen schematischen Schaltplan mit den wichtigsten Elementen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchgängigkeitsüberwachung.

In der Figur ist dargestellt eine elektrische Maschine mit einem feststehenden Teil 3 und einem gegenüber diesem rotierenden Teil 4, auf dem sich ein erster elektrischer Verbraucher 1.2, beispielsweise ein Motor, befindet, der über einen ersten Stromkreis 1 aus Stromleitern 1.3 und einem Schutzlei- ter 1.1 gespeist wird. Die dargestellten Stromleiter 1.3 entsprechen den üblicherweise mit L1-L3 bezeichneten Leitern eines Drei-Phasen-Wechselstromnetzes und werden wie der Schutz-

leiter 1.1 - auch mit PE bezeichnet - über Energieübertragungselemente 1.4, 1.5, die ein „Endlosdrehen" des rotierenden Teils 4 gestatten, zum feststehenden Teil 3 durchgeführt. Die Energieübertragungselemente 1.4, 1.5 seien im dargestell- ten Ausführungsbeispiel mit Flüssigmetall 12 ausgeführt, e- benso möglich sind aber auch Ausführungen beispielsweise mit herkömmlichen Schleifkontakten/-ringen . Die Ansteuerung des Motors 1.2 erfolgt über eine Antriebsregelung 2.2 (mit Leistungselektronik) , die einen zweiten elektrischen Verbraucher darstellt, der über einen zweiten elektrischen Stromkreis 2 aus einem 24V-Leiter 2.3 und einer Masse 2.1 mit 24 V Gleichspannung versorgt wird. über eine Kommunikationsanbindung 13 ist die Antriebsregelung 2.2 mit einer übergeordneten Steuerung (z.B. einer SPS, nicht dargestellt) verbunden, wobei die Signalübertragung der Kommunikationsanbindung 13 vom rotierenden Teil 4 zum feststehenden Teil 3 der Maschine durch ein Signalübertragungselement 14 realisiert ist, das auch induktiv oder optisch ausgeführt sein kann.

Der zweite Stromkreis 2 ist als PELV-Stromkreis ausgeführt und ist auf einer ersten Seite 3 des Energieübertragungselementes 1.5, die dem feststehenden Teil 3 der Maschine entspricht, über eine Verbindungsleitung 5 zwischen der Masse 2.1 und dem Schutzleiter 1.1 des ersten Stromkreises 1 geer- det. Die Verbindungen zwischen feststehendem 3 und rotierendem 4 Teil werden auch im zweiten Stromkreis 2 über Energieübertragungselemente 2.4, 2.5 realisiert.

Für die Durchgängigkeitsüberwachung wird auf der zweiten Sei- te 4 des Energieübertragungselementes 1.5, d.h. auf dem rotierenden Teil 4 der Maschine, von einer potentialfreien Spannungsversorgung 6 ein Stromfluss 7 generiert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird aus der 24V-Spannung des zweiten Stromkreises 2 über einen Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 11 die potentialfreie Spannung erzeugt, die eine Stromquelle 15 speist, die wiederum einen definierten Teststrom 7 erzeugt. Dieser Teststrom 7 fließt aus der Strom-

quelle 15 heraus über das Energieübertragungselement 1.5 für den Schutzleiter 1.1, über die Verbindungsleitung 5 auf der feststehenden Seite 3 zwischen Schutzleiter 1.1 und Masse 2.1 und über das Energieübertragungselement 2.5 für die Masse 2.1 zurück zu der Spannungs- bzw. Stromquelle. über ein überwachungselement 8 wird der Spannungsabfall 9 an den beiden E- nergieübertragungselementen 1.5, 2.5 beobachtet. überschreitet der Spannungsabfall 9 einen ersten Grenzwert, wird ein Warnsignal 10 an die Antriebsregelung 2.2 ausgegeben. über die Kommunikationsanbindung 13 mit der übergeordneten Steuerung kann dort der Fehler („PE-Durchgängigkeit mangelhaft" oder „nicht mehr gewährleistet") angezeigt werden. überschreitet der Spannungsabfall 9 einen zweiten Grenzwert, der mit dem ersten Grenzwert identisch sein kann, so wird der An- trieb des Motors 1.2 stillgesetzt.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchgängigkeitsüberwachung eines Energieübertragungselementes für einen Schutzleiter sowie eine elektrische Maschine mit einer derartigen Durchgängigkeitsüberwachung. Für eine kostengünstige Lösung für eine Durchgängigkeitsüberwachung wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei der Schutzleiter eines ersten Stromkreises auf einer ersten Seite des Energieübertragungselementes über eine Verbindungsleitung mit einer Masse eines zweiten Stromkreises verbunden wird, wobei auf einer zweiten Seite des Energieübertragungselementes eine potentialfreie Spannungsversorgung zwischen Schutzleiter und Masse geschaltet wird, wobei mittels der potentialfreien Spannungsversorgung ein Stromfluss durch das Energieübertra- gungselement und die Verbindungsleitung erzeugt wird und wobei mittels eines zwischen Schutzleiter und Masse auf der zweiten Seite des Energieübertragungselementes angeordneten überwachungselementes die Durchgängigkeit des Energieübertragungselementes anhand des von der potentialfreien Spannungs- Versorgung erzeugten Stromflusses überwacht wird.