DE102008059093A1

DE102008059093A1 - Umrichter

Info

Publication number: DE102008059093A1
Application number: DE200810059093
Authority: DE
Inventors: Jens Möhring; Thomas JÄCKEL
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: EP2371054B1; EP2371054A2; WO2010060585A3; DE102008059093B4; WO2010060585A2

Abstract

Umrichter zur Speisung eines Motors, umfassend - ein Steuerelektronikmodul zur Erzeugung von Ansteuersignalen für ansteuerbare Halbleiterschalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter, - mit jeweils einer Motorzuleitung verbundene Phasenmodule, umfassend Halbleiterschalter, - ein Bremschoppermodul mit ansteuerbarem Halbleiterschalter, wobei zwischen dem Steuerelektronikmodul und einem Kopplungelung vorgesehen ist und zwischen dem Kopplungsmodul und dem Bremschoppermodul sowie zwischen dem Kopplungsmodul und jedem Phasenmodul jeweils eine zweite Schnittstelle zur Signalübertragung ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter.
Es ist bekannt Drehstrommotoren mittels Umrichtern zu speisen, die eine Drehspannung mit vorgebbarer Frequenz bereit stellen. Diese Umrichter werden vorzugsweise aus dem Drehstromnetz versorgt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter einfacher und in Bezug auf die Betriebskosten insgesamt kostengünstiger weiterzubilden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Umrichter nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Umrichter zur Speisung eines Motors sind, dass er

– ein Steuerelektronikmodul zur Erzeugung von Ansteuersignalen für ansteuerbare Halbleiterschalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter,
– mit jeweils einer Motorzuleitung verbundene Phasenmodule, umfassend Halbleiterschalter,
– ein Bremschoppermodul mit ansteuerbarem Halbleiterschalter,

Von Vorteil ist dabei, dass Umrichter mit großen Leistungen von beispielsweise mehr als 50 kW oder sogar 100 kW modular aufbaubar sind. Auf diese Weise sind im Wartungsfall oder Fehlerfall das jeweilige Modul schnell und einfach austauschbar. Da das jeweilige Modul mit Ausnahme des Steuerelektronikmoduls nur einfach aufgebaut ist, also mit wenig komplexen Strukturen ausgeführt ist, ist eine hohe Übersichtlichkeit erreichbar und somit ein einfaches und schnelles Austauschen möglich. Insbesondere ist durch das zentral zwischengeordnet vorgesehene Kopplungsmodul ein Ermitteln der jeweiligen Fehlerquelle in einfacher Weise erreichbar. Auch sind vom Kopplungsmodul selbst Überwachungen und logische Überprüfungen unabhängig von der Software oder Hardware des Steuerelektronikmoduls ermöglicht. Auf diese Weise ist also auch eine erhöhte Sicherheit erreichbar. Des Weiteren ist mittels des Kopplungsmoduls eine Verbindungseinheit realisierbar, die Steuersignale und Daten durchleitet. Die verbundenen Module sind klein und kompakt und daher kostengünstig ausführbar. Das Durchleiten mittels des Kopplungsmoduls ermöglicht daher nicht nur ein Überwachen der durchgeleiteten Signale und Daten sondern auch ein Vergleichen und logisches Miteinander Verknüpfen der für verschiedene Module bestimmten Daten und Signale. Auf diese Weise ist also ein Festellen von Fehlern auf dem Kopplungsmodul ermöglicht. Darüber hinaus ist die Fehlerquelle, also beispielsweise das entsprechende Modul bestimmbar. Mit Anzeigeelementen und/oder über Weiterleitung entsprechender Daten an das Steuerelektronikmodul und von dort über Datenbusverbindungen an weitere elektronische Geräte, wie zentraler Rechner oder dergleichen, ist somit eine schnelle und einfache Meldung an einen Bediener oder ein Auslösen einer entsprechend zugeordneten Aktion innerhalb der Maschine oder Anlage ermöglicht.
Des weiteren sind auch innerhalb der jeweiligen Module Mittel zur Bestimmung und/oder Überwachung von Werten physikalischer Größen vorsehbar. Die bestimmten Wert sind somit direkt ans Kopplungsmodul übermittelbar und dort anzeigbar oder auswertbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste und/oder zweite Schnittstelle zur Übertragung von Ansteuersignalen sowie zur Übertragung von Meldungen, insbesondere Fehlermeldungen, geeignet ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass nicht nur die durchzuleitenden Signale und/oder Daten sondern auch Fehlermeldungen, die mittels der auf dem Kopplungsmodul vorgesehenen Mittel anzeigbar oder weiterverarbeitbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Kopplungsmodul Mittel zum Vergleichen von Ansteuersignalen für die Schalter der Phasenmodule und/oder Rückmeldesignale von den Phasenmodulen auf. Von Vorteil ist dabei, dass das Kopplungsmodul eine Leiterplatte umfasst, auf die die genannten Mittel vorsehbar sind und die Signale und/oder Daten in einfacher Weise an diese Mittel zuleitbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Kopplungsmodul Mittel zum Vergleichen von Signalen des Bremschoppermoduls und/oder Rückmeldesignalen des Bremschoppermoduls auf. Von Vorteil ist dabei, dass die Funktion des Bremschoppermoduls ebenso wie die Funktion der anderen Module überwachbar ist und entsprechende Fehlermeldungen erzeugbar und anzeigbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Erfassung von Werten physikalischer Größen vorgesehen und das Kopplungsmodul umfasst Mittel zum Vergleich der Werte mit jeweiligen kritischen Werten. Von Vorteil ist dabei, dass die Mittel zur Erfassung von Werten auf oder an den jeweiligen Modulen vorsehbar sind und die zugehörige Auswertung auf dem mit dem Modul benachbarten, über die Schnittstelle verbundenen Kopplungsmodul ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Kopplungsmodul Anzeigemittel zum Anzeigen von Fehlerzuständen und/oder zum Anzeigen von Hinweisen auf die Fehlerquelle. Von Vorteil ist dabei, dass bei Wartungsarbeiten auf das fehlerhafte Modul direkt hingewiesen wird und somit das Modul sofort ausgetauscht oder repariert werden kann. Insbesondere erfolgt die Überwachung und Anzeige von Fehlern unabhängig vom komplex aufgebauten Steuerungselektronikmodul, welches zumindest einen Mikrocontroller umfasst und selbst eine Fehlerquelle darstellen kann.
Das Kopplungsmodul selbst hingegen ist in seiner ersten Funktion nur ein Mittel zum Durchleiten von Signalen und Daten. Die Überwachung ist eine zusätzliche auf dem Kopplungsmodul integrierte Funktion, die somit unabhängig von anderen Komponenten ausführbar ist. Insgesamt ist auf diese Weise auch die Sicherheit erhöhbar, da die Überwachung auf Fehler sogar unabhängig vom Kopplungsmodul auch zusätzlich in dem Steuerelektronikmodul ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kopplungsmodul zum Datenaustausch mit dem Signalelektronikmodul verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass die auf dem Kopplungsmodul erzeugten und bestimmten Informationen an das Steuerelektronikmodul weiterleitbar sind und somit von dort auch anzeigbar oder über Datenbusverbindungen an weitere elektronische Geräte weiterleitbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine physikalische Größe die Temperatur einer Kühlvorrichtung des Umrichter, wie Kühlkörper oder in Leitungen vorgesehenes Kühlmedium. Insbesondere ist eine physikalische Größe die Zwischenkreisspannung, ein Motorphasenstrom und/oder der Motorstrom und/oder der Nullpunkt der Motorspannung, also die zwischen Nullpunkt und Erde auftretende Spannung. Von Vorteil ist dabei, dass die Überwachung unabhängig vom Steuerelektronikmodul ausführbar ist und somit die Sicherheit erhöhbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Phasenmodul jeweils zwei in Reihe geschaltete ansteuerbare Halbleiterschalter, wobei die Ansteuersignale vom Kopplungsmodul über die zweite Schnittstelle geleitet werden. Von Vorteil ist dabei, dass das Phasenmodul selbst mit dem Kühlkörper verbindbar und somit die von der Endstufe insgesamt erzeugte Wärme aufspreizbar ist. Denn die einzelnen Phasenmodule sind voneinander beabstandet vorsehbar und nicht integriert ausgeführt. Außerdem sind im Phasenmodul jeweilige Mittel zum Überwachen vorsehbar, deren Signale über die zweite Schnittstelle dem Kopplungsmodul zuleitbar sind. Auf diese Weise ist eine individuelle Überwachung jedes Phasenmoduls ausführbar. Des Weiteren ist jedes Phasenmodul zwischen Stromschienen befestigbar, welche die Zwischenkreispotentiale führen. Somit ist eine einfache Befestigung auch für hohe Ströme ausführbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind auf dem Kopplungsmodul Mittel zur Überwachung der über die erste und zweite Schnittstelle ausgetauschten Daten und/oder Signale vorgesehen, die mit Mitteln zum Anzeigen von Fehlerzuständen und/oder Fehlerquellen, insbesondere von entsprechend zugeordneten Module, vorgesehen sind. Von Vorteil ist dabei, dass bei Wartungsarbeiten die Fehlerquelle und Fehlerart direkt und einfach anzeigbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schnittstellen als Steckverbindungen ausgeführt, wobei das Kopplungsmodul eine Leiterplatte umfasst, auf der Steckverbinderteile der Steckverbindungen der Schnittstellen verbunden sind, insbesondere lötverbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass einfache und kostengünstige Ausführungen ermöglicht sind. Insbesondere ist auch das Anschließen der Module in einfacher und schneller Weise ausführbar. Mittel der Steckverbinderteile sind auch Anschließfehler vermeidbar.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1: Steuerelektronikmodul
2: erste Schnittstelle
3: Kopplungsmodul
4: zweite Schnittstelle
5: Bremschoppermodul
6U: Phasenmodul für die Motorphasenleitung U
6V: Phasenmodul für die Motorphasenleitung V
6W: Phasenmodul für die Motorphasenleitung W
R: Bremswiderstand
M: Dreiphasig betreibbarer Motor, Drehstrommotor

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Umrichter schematisch dargestellt.
Dabei speist der Umrichter einen Motor M, der dreiphasig betreibbar ist, also ein Drehstrommotor ist. Hierbei ist ein Synchronmotor, ein Asynchronmotor oder ein Reluktanzmotor einsetzbar.
Der Umrichter wird vorzugsweise aus einer dreiphasigen Versorgungsspannungsquelle versorgt. Ein in 1 nicht gezeigter Umrichter, der innerhalb des Leistungsmoduls angeordnet ist, erzeugt eine Zwischenkreisspannung, die zwischen dem oberen Zwischenkreispotential U_Z+ und dem unteren Zwischenkreispotential U_Z- anliegt. Eine Kapazität zur zumindest geringfügigen Glättung und als kurzzeitiger Energiepuffer ist bevorzugt an der Zwischenkreisspannung angeordnet.
Ein außerhalb des Umrichters angeordneter Bremswiderstand R wird zur Vernichtung überschüssiger Energie, insbesondere nach Übersteigen eines kritischen Wertes an Zwischenkreisspannung, mittels eines ansteuerbaren Schalters, im Folgenden auch als Brems-Chopper bezeichnet, zugeschaltet, so dass er im Wesentlichen direkt von der Zwischenkreisspannung versorgt wird und somit die überschüssige Energie in ohmsch erzeugte Wärme verwandelt.
Der Brems-Chopper ist in einem Bremschoppermodul 5 angeordnet.
Die Erzeugung der drei den Motor versorgenden Phasen wird in drei Phasenmodulen (6U, 6V, 6W) ausgeführt, wobei jedes Phasenmodul aus der Zwischenkreisspannung versorgt ist und jeweils zumindest zwei in Reihe geschaltete ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter aufweist, so dass die jeweilige Phasenleitung (U, V, W) entweder mit dem oberen Zwischenkreispotential oder mit dem unteren verbindbar ist. Die Ansteuersignale werden pulsweitenmoduliert, so dass die drei Phasenleitungen dem Motor eine Drehspannung zur Verfügung stellen mit einer vorgebbaren Frequenz.
Die Ansteuersignale werden über die zweite Schnittstelle 4 vom Kopplungsmodul aus übertragen, wobei die ursprüngliche Erzeugung der Ansteuersignale in einem Steuerelektronikmodul 1 ausgeführt wird, das über eine erste Schnittstelle 2 mit dem Kopplungsmodul 3 verbunden ist.
Auch die Ansteuersignale für den im Bremschoppermodul vorgesehenen ansteuerbaren Schalter, also Brems-Chopper, wird vom Steuerelektronikmodul 1 erzeugt und über die erste Schnittstelle 2 zum Kopplungsmodul 3 und von dort über die zweite Schnittstelle 4 zum Bremschoppermodul 5 übertragen.
Es sind Mittel zur Erfassung der Zwischenkreisspannung und Mittel zur Erfassung der motorseitigen Ausgangsströme, also Stromwerte in den Phasenleitungen vorgesehen. Die erfassten Werte werden – insbesondere auch über die zweite Schnittstelle 4 – ebenfalls zum Kopplungsmodul 3 übertragen und von dort über die erste Schnittstelle 2 zum Steuerelektronikmodul 1.
Des Weiteren wird auch die Kühlkörpertemperatur einer Kühlvorrichtung erfasst und über das Kopplungsmodul 3 und die erste Schnittstelle 2 zum Steuerelektronikmodul 1 übertragen.
Die Kühlvorrichtung ist derart wärmeleitend mit den Leistungsschaltern der Phasenmodule und mit dem Leistungsschalter des Bremschoppermoduls verbunden, dass die von diesen erzeugte Verlustwärme an ein umgebendes Medium, wie Luft oder in Leitungen vorbeigeführte Kühlflüssigkeit, abführbar ist.
Das Kopplungsmodul umfasst auch eine Rechnereinheit, wie Mikrocontroller oder Mikroprozessor und überwacht die durchgeleiteten Signale. Insbesondere werden hierzu die Ansteuersignale für die Phasenmodule verglichen und bei Abweichungen vom Normalbetrieb Warnmeldungen, insbesondere im Anbahnungszustand, oder Fehlermeldungen erzeugt. Zum Vergleich sind beispielsweise zu jedem Zeitintervall Summen und/oder Differenzen der Phasenpotentialwerte oder Phasenstromwerte gebildet. Dabei sind Abweichungen des gebildeten Ergebniswertes auf ein Überschreiten oder Unterschreiten von kritischen Werten überwacht. Ebenso ist aus diesen Messwerten eine Leistungsüberwachung des Motors ausführbar und auch hieraus bei Überschreiten kritischer Werte Fehlermeldungen erzeugbar. Des Weiteren sind nicht nur die zum jeweiligen Zeitintervall bestimmten Messwerte überwachbar sondern auch die zeitlichen Verläufe, insbesondere durch Bildung Zeitlicher Ableitungen, oder auch aus den zeitlichen Verläufen ermittelte Werte, wie gleitende Mittelwerte oder Integralwerte, überwachbar.
Diese Meldungen werden übermittelt ans Steuerelektronikmodul 1 und/oder angezeigt über auf dem Kopplungsmodul vorgesehene Anzeigemittel. Ebenso sind die Meldungen vom Steuerelektronikmodul 1 und/oder von einem mit diesem verbundenen Rechner mit dessen Anzeigeeinheit anzeigbar.
Die übermittelten und/oder angezeigten Meldungen umfassen dabei jeweils Informationen, welche hinweisen auf das fehlerhafte Modul, wodurch Service- und Artungsarbeiten schneller und einfacher ausführbar sind..
Ebenso wird die Zwischenkreisspannung überwacht und bei Überschreiten eines ersten kritischen Wertes oder bei dauerhaftem Unterschreiten eines zweiten kritischen Wertes entsprechende Meldungen übertragen und/oder angezeigt. Ebenso werden Meldungen bei Überschreiten eines kritischen Wertes an Strom in den jeweiligen Phasenleitungen und/oder Temperatur des Kühlkörpers angezeigt und/oder übermittelt.
Auf diese Weise sind im Wartungsfall die Fehlerquelle wie beispielsweise die auszutauschenden Module schneller erkennbar.
Alle vorgenannten Module sind innerhalb eines Schaltschrankes oder eines Gehäuses angeordnet, insbesondere mit einem Schienensystem lösbar verbunden, wobei das Gehäuse Gehäuseteile umfasst, wobei am Schienensystem die Gehäuseteile befestigt sind.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Gleichrichter steuerbar ausgeführt, umfasst also ansteuerbare und nicht ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter, wie Thyristoren und Dioden, oder nur ansteuerbare Leistungshalbleiterschalter, wie Thyristoren oder IGBT.

Claims

Umrichter zur Speisung eines Motors, umfassend – ein Steuerelektronikmodul zur Erzeugung von Ansteuersignalen für ansteuerbare Halbleiterschalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter, – mit jeweils einer Motorzuleitung verbundene Phasenmodule, umfassend Halbleiterschalter, – ein Bremschoppermodul mit ansteuerbarem Halbleiterschalter, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steuerelektronikmodul und einem Kopplungsmodul eine erste Schnittstelle zur Signalübermittelung vorgesehen ist und zwischen dem Kopplungsmodul und dem Bremschoppermodul sowie zwischen dem Kopplungsmodul und jedem Phasenmodul jeweils eine zweite Schnittstelle zur Signalübertragung ausgeführt ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schnittstelle zur Übertragung von Ansteuersignalen sowie zur Übertragung von Meldungen, insbesondere Fehlermeldungen, geeignet ausgeführt ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schnittstelle zur Übertragung von Ansteuersignalen sowie zur Übertragung von Meldungen, insbesondere Fehlermeldungen, geeignet ausgeführt ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmodul Mittel zum Vergleichen von Ansteuersignalen für die Schalter der Phasenmodule und/oder Rückmeldesignale von den Phasenmodulen aufweist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmodul Mittel zum Vergleichen von Signalen des Bremschoppermoduls und/oder Rückmeldesignalen des Bremschoppermoduls aufweist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erfassung von Werten physikalischer Größen vorgesehen sind und dass das Kopplungsmodul Mittel zum Vergleich der Werte mit jeweiligen kritischen Werten umfasst.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmodul Anzeigemittel umfasst zum Anzeigen von Fehlerzuständen und/oder zum Anzeigen von Hinweisen auf die Fehlerquelle.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmodul zum Datenaustausch mit dem Signalelektronikmodul verbunden ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine physikalische Größe die Temperatur einer Kühlvorrichtung des Umrichter, wie Kühlkörper oder in Leitungen vorgesehenes Kühlmedium ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine physikalische Größe die Zwischenkreisspannung ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine physikalische Größe ein Motorphasenstrom und/oder der Motorstrom ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine physikalische Größe der Nullpunkt der Motorspannung, also die zwischen Nullpunkt und Erde auftretende Spannung, ist
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenmodul jeweils zwei in Reihe geschaltete ansteuerbare Halbleiterschalter umfasst, wobei die Ansteuersignale vom Kopplungsmodul über die zweite Schnittstelle geleitet werden.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kopplungsmodul Mittel zur Überwachung der über die erste und zweite Schnittstelle ausgetauschten Daten und/oder Signale vorgesehen sind, die mit Mitteln zum Anzeigen von Fehlerzuständen und/oder Fehlerquellen, insbesondere von entsprechend zugeordneten Module, vorgesehen sind.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellen als Steckverbindungen ausgeführt sind, wobei das Kopplungsmodul eine Leiterplatte umfasst, auf der Steckverbinderteile der Steckverbindungen der Schnittstellen verbunden sind, insbesondere lötverbunden sind.