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Dokumentenidentifikation DE102006016748A1 11.10.2007
Titel Gleichrichter zum Speisen einer Bremsspule
Anmelder Chr. Mayr GmbH + Co KG, 87665 Mauerstetten, DE
Erfinder Unsin, Karl, 86860 Jengen, DE;
Marten, Andreas, 87650 Baisweil, DE
Vertreter Ruschke Hartmann Madgwick & Seide Patent- und Rechtsanwälte, 81925 München
DE-Anmeldedatum 10.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006016748
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse H02P 13/00(2006.01)A, F, I, 20060410, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02M 7/162(2006.01)A, L, I, 20060410, B, H, DE   F16D 59/02(2006.01)A, L, I, 20060410, B, H, DE   
Zusammenfassung Schaltung für den Betrieb einer Spule einer elektrisch lüftbaren Sicherheitsbremse zum Anschluss an Wechselstromversorgungen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen (vorzugsweise einphasig) mit:
einer mit den Eingangsanschlüssen verbundenen Gleichrichterschaltung zum Erzeugen einer sich periodisch ändernden Gleichspannung;
Ausgangsanschlüssen zum Versorgen einer Spule mit der vom Gleichrichter erzeugten Gleichspannung;
einem elektronischen Ventil/Schalter, um den Gleichstrom jederzeit ein- bzw. auszuschalten;
vorzugsweise einer Freilaufdiode, die an die Ausgangsanschlüsse angeschlossen ist, um während der Sperrzeiten des elektronischen Ventils/Schalters den Stromfluss durch die Spule aufrecht zu erhalten;
einem an die Ausgangsanschlüsse angeschlossenen Regelkreis, der die an der Spule anliegende Gleichspannung misst und das elektronische Ventil/den elektronischen Schalter so ansteuert, dass die an der Spule liegende Gleichspannung konstant bleibt; und
einem mechanischen/elektronischen Schalter in der Stromzufuhr zur Spule zwecks Unterbrechung und Schnellabschaltung des Freilaufkreises (Fig. 1).

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichrichterschaltung zur Speisung einer Spule – bspw. den Elektromagneten einer elektrisch lüftbaren Bremse – mit Strom aus einem Wechselstromnetz.

Technischer Hintergrund

Elektrisch lüftbare Bremsen wie die Sicherheitsbremsen von Aufzügen bestehen im Allgemeinen aus einer Bremse, die mit Federn in den Eingriff gedrückt wird. In diesem Zusammenhang bedeutet „lüftbar", dass die Bremse durch die Einwirkung des Stroms gelöst bzw. freigesetzt wird: Ein Elektromagnet ist vorgesehen, um die Bremse zu lüften. Er wirkt der Federkraft entgegen auf einen Anker; sobald er jedoch stromlosgeschaltet wird, bringen die Federn die Bremse in den Eingriff zurück. Für einen erheblichen Anteil der Betriebszeit der Maschinenanlage, an der die Bremse arbeitet, muss daher die Spule des Elektromagneten erregt sein, was eine ständige Stromzufuhr erfordert. Typischerweise erfolgt diese durch Anschluss an das örtliche Stromnetz. Die Spannung des nahe der Maschinenanlage verfügbaren örtlichen Stromnetzes hat typischerweise einen einer Anzahl unterschiedlicher Standardwerte. Es kann sich bspw. um die 400V-Dreh- bzw. Starkstrom- oder um die 230/250V-Hausnetze in Europa oder um die niedrigeren 110V-Hausnetze handeln, die sich in den USA finden. Für jede verfügbare Spannung und Bremsleistung muss der Hersteller der elektromagnetisch lüftbaren Bremse eine geeignete Spule liefern, was eine umfangreiche Lagerhaltung an Produkten erfordert, die gefertigt, vorgehalten und gewartet werden müssen.

Dieses Problem der unterschiedlichen Netzspannungen ist in der Druckschrift DE 197 40 016 (entsprechend US 6 291 952) angesprochen, die eine Anordnung beschreibt, in der der durchschnittliche Stromfluss durch die Spule mit einem elektronischen Schalter begrenzt wird. Da der magnetische Effekt der Spule proportional zu dem durch die Windungen fließenden Strom ist, wird mit dem Regeln auf einen durchschnittlichen Strom auch die magnetische Feldstärke auf den zum Lüften der Bremse geforderten Sollwert geregelt, und dies unabhängig von der an die Schaltung als Ganzes angelegten Spannung. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass für jede Bremsgröße ein eigener Grenzstrom eingestellt werden muss. Die Schaltung liefert keinen Schutz gegen thermische Überlast, die auftreten können, wenn der Wirkwiderstand der Spule steigt. Typischerweise wird die Spule über längere Zeiträume erregt; sie erwärmt sich daher. Mit der Erwärmung steigt ihr Widerstand. Wird nun der Spulenstrom konstant gehalten und erwärmt sich die Spule, steigt auch die in ihr umgesetzte Leistung, was ihre Temperatur weiter in die Höhe treibt. Zum Konstanthalten des Strom ist eine noch höhere Spannung erforderlich. Die steigende Leistung und Spannung können rasch zu einem Ausfall der Spule führen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Gleichrichterschaltung zum Speisen elektromagnetisch lüftbarer Bremsen, die mit unterschiedlichen Netzspannungen einsetzbar ist. Vorzugsweise ist für alle Spannungen die gleiche elektromagnetische Spule und für alle Größen von Elektromagneten die gleiche Gleichrichterschaltung einsetzbar.

Zusammenfassung der Erfindung

Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt diese eine Schaltung zum Speisen einer Spule mit Betriebsstrom bereit, die aufweist:

Eingangsanschlüsse zum Anschluss an ein Wechselstromnetz;

eine mit den Eingangsanschlüssen verbundene Gleichrichterschaltung zum Erzeugen einer Gleichspannung auf der Basis des zugeführten Wechselstroms; und

Ausgangsanschlüsse, an denen an der Gleichrichterschaltung eine Gleichspannung zum Anschluss an die Spule abnehmbar ist;

gekennzeichnet durch einen Spannungsversorgungs-Regelkreis, der an die Ausgangsanschlüsse gelegt ist, um die an den Ausgangsanschlüssen liegende Spannung zu messen und zu regeln, wobei der Spannungsversorgungs-Regelkreis eine Steuerausgangsleitung sowie eine interne Schaltung aufweist, mit der ein Anforderungssignal auf die Ausgangsleitung legbar ist, falls mehr Strom vom Gleichrichter benötigt wird, um die geregelte Spannung an den Ausgangsanschlüssen aufrecht zu erhalten;

wobei das Gleichrichterelement eine Spannungsbegrenzungsschaltung aufweist, die mit der Steuerausgangsleitung des Spanunngsversorgungs-Regelkreises verbunden ist und einen Strom zu den Ausgangsanschlüssen zulässt, wenn das Anforderungssignal empfangen wurde.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung stellt diese eine Schaltung für den Betrieb einer Spule zum Anschluss an Wechselstromversorgungen unterschiedlicher Arbeitsspannungen bereit, die eine mit den Eingangsanschlüssen verbundene Gleichrichterschaltung zum Erzeugen einer sich periodisch ändernden Gleichspannung; Ausgangsanschlüsse zum Speisen einer Spule mit der vom Gleichrichter erzeugten Gleichspannung; einem elektronischen Ventil/Schalter, mit dem ein Gleichstrom jederzeit ein- bzw. ausschaltbar ist; eine an die Ausgangsanschlüsse angeschlossene Freilaufdiode, mit der während den Sperrzeiten des elektronischen Ventils bzw. Schalters der Stromfluss durch die Spule aufrecht erhaltbar ist; einen an die Ausgangsanschlüsse angeschlossenen Regelkreis, der die an der Spule anliegende Gleichspannung misst und das elektronische Ventils bzw. den Schalter ansteuert, um die an der Spule anliegende Gleichspannung konstant zu halten; und einen mechanischen/elektronischen Schalter in der Stromversorgung der Spule aufweist, mit der der Freilaufkreis für eine Schnellabschaltung unterbrechbar ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung regelt die an der Spule liegende Spannung. Steigt also die Temperatur der Spule, sinkt die in der Spule umgesetzte Leistung als Funktion des Widerstands (P = U2/R). Dadurch verringert sich der Heizeffekt der Spule. Da weiterhin die Spannung an der Spule stabilisiert wird, ist die Schaltung an über einen breiten Bereich unterschiedlichen Netz- bzw. Versorgungsspannungen und für einen breiten Bereich von Spulenströmen verwendbar. Die Anordnung hat auch den Vorteil, dass für jeden Sollstrom nur ein aus einem Gleichrichter und einer Spulenspannung bestehender Nachrüstsatz, nicht aber eine separate Einheit für jede Strom/Spannung-Kombination herzustellen ist. Dadurch erreicht man eine drastisch gesenkte Anzahl herzustellender und vorzuhaltender Bauteile. Auch wenn man unterschiedliche Soll-Spulenströme ansetzt, besteht doch ein ziemlich breiter Strombereich, für den eine einzige Gleichrichterschaltung ausreicht. Weitere Aspekte der Erfindung sind u.a. ein Um- bzw. Nachrüstsatz aus dem Gleichrichter und einer Bremsspule sowie eine vollständige Bremse aus dem Gleichrichter, der Spule und den zugehörigen Bremsbauteilen wie den Bremsplatten und den Federn zum Einlegen der Bremse. Das Konstruieren solcher Bremsen selbst ist bekannt und lässt sich mehreren auf den Namen der Anmelderin lautenden Patentschriften entnehmen.

Beschreibung

Es werden nun einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 ist ein Stromlauf des mit einer Bremsspule verschalteten Gleichrichters;

2 ist ein Stromlauf einer zweiten Ausführungsform der Gleichrichterschaltung ebenfalls in Verschaltung mit einer Spule; und

3 ist ein Stromlauf einer dritten Ausführungsform.

1 zeigt eine halbgesteuerte Brücke. Das Mess- und Regelglied steuert die elektronischen Schalter T1 und T2 so an, dass an der Spule die Soll-Gleichspannung anliegt. Der Schalter S1 dient zur optionalen gleichstromseitigen Abschaltung. Die Spannungsregelung kann durch Phasenanschnittsteuerung, Phasenabschnittsteuerung oder Impulsbreitenmodulation (PWM) erfolgen. Der Schalter S1 dient zur optionalen gleichstromseitigen Abschaltung.

In der Anordnung nach 1 ersetzen also die SCRs T1 und T2 die Gleichrichter in der positiven Hälfte der Gleichrichterbrücke. Ist Strom erforderlich, um den Sollwert der Spulenspannung aufrecht zu erhalten, werden die SCRs an ihren Gate-Elektroden erregt, so dass die Brückengleichrichter durchschalten.

Die 2 zeigt eine Brückengleichrichterschaltung. Das Mess- und Regelglied wirkt wechselspannungsseitig auf den elektronischen Schalter T1, so dass die Soll-Gleichspannung an der Spule anliegt. Die Spannungsregelung kann durch Phasenanschnittsteuerung, Phasenabschnittsteuerung oder Impulsbreitenmodulation erfolgen. Der Schalter S1 dient zur optionalen gleichstromseitigen Abschaltung.

In der Anordnung der 2 ist ein Triac oder anderes elektrisches AC-Schaltelement in Reihe mit einer der Phasen des WS-Netzes geschaltet, um dem Brückengleichrichter nach Bedarf und der Ansteuerung durch das Mess- und Regelglied Strom zuzuführen.

3 zeigt eine Brückengleichrichtung. Das Mess- und Regelglied steuert den gleichspannungsseitigen elektronischen Schalter T1 so an, dass die Soll-Gleichspannung an der Spule anliegt. Die Spannungsregelung kann durch Phasenanschnittsteuerung, Phasenabschnittsteuerung oder Impulsbreitenmodulation erfolgen. Der Schalter S1 dient zur optionalen gleichstromseitigen Abschaltung.

In dieser Anordnung ist daher der AC-Eingang direkt an einen Brückengleichrichter gelegt. Der elektronische Schalter, z.B. IGBT regelt die an die Spule gelegte Spannung gleichstromseitig entsprechend den Signalen aus dem Mess- und Regelglied.

In allen oben beschriebenen Schaltungen lässt sich parallel zur Spule eine Diode legen, die nach einer Unterbrechung der Stromzufuhr den weiteren Stromfluss gewährleistet. In Reihe mit dieser Freilaufdiode kann optional ein Schalter liegen, der sich öffnen lässt, um einen maximalen Stromabfall des Spulenstroms sicherzustellen. Schließlich lässt sich eine Schutzschaltung einbauen, die einen übermäßigen Anstieg der Rückspannung an der Spule verhindert, die die Elektronik beschädigen könnte.

Das „Mess- und Regelglied" im Blockschaltbild kann ein RC-Glied mit Spannungsteiler zum Erfassen der Ausgangsspannung sowie eine Auswerteschaltung sein, die entsprechend der Höhe der Ausgangsspannung die elektronischen Schalter ansteuert. Es lässt sich z.B. mit einem Operationsverstärker oder einem Mikroprozessor realisieren.

Die Spule Y1 ist vorzugsweise nichts als die Spule selbst, die auf Grund der Temperaturänderung ihren Wirkwiderstand ändert, so dass bei konstant gehaltener Spulenspannung der Spulenstrom sinkt.

Für alle oben beschriebenen Ausführungsformen ist an eine optionale Auf- oder Abwärtsregelung der Regelspannung gedacht, um eine Übererregung und/oder eine reduzierte Haltespannung zu erreichen. Typischerweise wird die Spule bei der anfänglichen Erregung übererregt, um das magnetische Feld schnellstmöglich aufzubauen, und nach völliger Erregung mit verringerter Spannung erregt gehalten. Die Schaltungsanordnungen sind für beliebige Netzfrequenzen geeignet, einschl. insbesondere 50 Hz bzw. 60 Hz (z.B. USA). Es hat sich herausgestellt, dass Netzspannungen über einen Bereich der Größenordnung von 3:1 bedienbar sind.


Anspruch[de]
Schaltung für den Betrieb einer Spule zum Anschluss an Wechselstromversorgungen mit unterschiedlichen Betriebsspannungen (vorzugsweise einphasig) mit:

einer mit den Eingangsanschlüssen verbundenen Gleichrichterschaltung zum Erzeugen einer sich periodisch ändernden Gleichspannung;

Ausgangsanschlüssen zum Versorgen einer Spule mit der vom Gleichrichter erzeugten Gleichspannung;

einem elektronischen Ventil/Schalter, um den Gleichstrom jederzeit ein- bzw. auszuschalten;

vorzugsweise einer Freilaufdiode, die an die Ausgangsanschlüsse angeschlossen ist, um während der Sperrzeiten des elektronischen Ventils/Schalters den Stromfluss durch die Spule aufrecht zu erhalten;

einem an die Ausgangsanschlüsse angeschlossenen Regelkreis, der die an der Spule anliegende Gleichspannung misst und das elektronische Ventil/den elektronischen Schalter so ansteuert, dass die an der Spule liegende Gleichspannung konstant bleibt; und

einem mechanischen/elektronischen Schalter in der Stromzufuhr zur Spule zwecks Unterbrechung und Schnellabschaltung des Freilaufkreises.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Gleichrichter als halbgesteuerte Brückenschaltung ausgeführt ist und die Steuerelemente (vorzugsweise Thyristoren, Transistoren, MOSFETs oder IGBTs) durch den Regelkreis angesteuert werden. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Gleichrichter als Brücken- oder Einweggleichrichter ausgeführt ist und sich im Stromkreis der Ausgangsanschlüsse der Spule ein elektronisches Ventil/ein elektronischer Schalter (vorzugsweise Thyristor, Transistor, MOSFET oder IGBT) befindet, der vom Regelkreis angesteuert wird. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der Gleichrichter als Brücken- oder Einweggleichrichter ausgeführt ist und im Stromkreis der eingangsanschlüsse ein elektronisches Ventil/ein elektronischer Schalter (vorzugsweise ein Triac) befindet, der vom Regelkreis angesteuert wird. Schaltung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der der Regelkreis umschaltbar ist, um eine höhere Spannung zum Übererregen und eine niedrigere Spannung zum Halten des Elektromagneten zu erzeugen. Schaltung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der das elektronische Ventil/der elektronische Schalter als vom Regelkreis in Phasenan- bzw. -abschnittsteuerung angesteuert wird. Schaltung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der das elektronische Ventil/der elektronische Schalter vom Regelkreis in Impulsbreitenmodulation (PWM) geschaltet wird. Schaltung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der im Freilaufkreis der Spule ein Schalter (vorzugsweise mechanisch oder als elektronisches Ventil/elektronischer Schalter) liegt Schaltung nach Anspruch 8 mit einem spannungbegrenzenden elektronischen Bauelement (vorzugsweise einem Varistor, einer Zenerdiode oder einer Supressordiode) an den Ausgangsanschlüssen zur Begrenzung der Ausschaltspannung an der Spule. Elektronisch lüftbare Bremse oder andere elektromagnetische Komponenten nach VDE580, mit:

Federn, die die Bremsbeläge in einen Bremszustand drücken;

einem Elektromagneten, der angeschlossen ist, um den Kräften der Federn entgegenzuwirken und so die Bremse zu lösen; und

einer Schaltung nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsanschlüsse mit der Spule des Elektromagneten verbunden sind.
Verfahren zum Regeln der Anschlussspannung eines Elektromagneten mit folgenden Schritten:

Anschließen einer Gleichrichterschaltung an eine (vorzugsweise einphasige) Wechselstromversorgung zum Erzeugen einer sich periodisch ändernden Gleichspannung;

Speisen einer Spule mit der vom Gleichrichter erzeugten Gleichspannung unter Steuerung eines elektronischen Ventils/Schalters, um den Gleichstrom ständig ein- und auszuschalten;

vorzugsweises Anschließen einer Freilaufdiode an die Ausgangsanschlüsse, um während der Sperrzeiten des elektronischen Ventils/Schalters den Stromfluss durch die Spule aufrecht zu erhalten;

Messen der an der Spule liegenden Gleichspannung und Ansteuern des elektronischen Ventils/Schalters derart, dass die an der Spule liegende Gleichspannung konstant bleibt;

und vorzugsweises Unterbrechen der Sromversorgung der Spule im Freilaufkreis zwecks Schnellabschaltung.






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