CN108432075B - 包括保护和监测功能的电动机起动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动机起动机(10)，包括：总开关(1)，被配置为功率半导体，所述总开关(1)形成半导体接触器且具有用于切换电动机绕组的总电源的相的至少一个半导体开关，其中每个半导体开关的第一连接被连接到所述电动机起动机(10)的对应第一总电流触点(L1到L3)；辅助开关(2)，被配置为半导体开关且连接于所述电动机起动机的至少一对辅助触点(11、12、13、14)之间；电子换能器单元(3)，用于测量所述总电源的所述相的电流，所述电子换能器单元(3)连接于所述总开关(1)的每个半导体开关的第二连接与所述电动机起动机(10)的对应第二总电源触点(T1到T3)之间；和电子控制单元(4)，用于所述总开关(1)和所述辅助开关(2)，所述电子控制单元(4)经由所述电动机起动机(10)的控制触点(A1、A2)供电，且所述换能器单元(3)的测量信号被馈送到所述电子控制单元(4)，且所述电子控制单元(4)被配置成根据经由所述控制触点(A1、A2)的所述供电和/或根据所述测量信号来控制所述总开关(1)和/或所述辅助开关(2)。

Description

包括保护和监测功能的电动机起动机

技术领域

本发明涉及一种用于电动机的电动机起动机，其具有保护和监测功能但无需机械组件以去激活总电路和辅助电路。

背景技术

德国特许公开申请DE 43 35 965 A1描述一种组合式电动机起动机，其具有电源侧上的电源开关和负荷侧上的串联连接的接触器以及用于测量、控制和监测的电子单元。两个开关装置具有机械接触系统，且电子单元具有用于电动机保护和短路保护的电子释放装置。由于电子单元的电子释放装置，例如双金属继电器和快动释放装置等常规释放装置可被替换且用于促进短路电流释放的复杂设计可得以避免。另外，电子过载监测允许对电子释放装置的范围进行广泛调整和释放。

三相电动机起动机在德国特许公开申请DE 10 2013 111 954 A1中所描述。电动机起动机借助于具有机械触点的接触器和具有半导体开关的插件模块而实现。模块用于减少由于具体地说当电动机启动时发生的高启动电流所致的接触器的机械开关触点的极高负荷。出于所述目的，插件模块的半导体开关在接触器的激活和去激活过程期间借助于对应控件平行连接到开关触点，使得开关触点可几乎在不通电的情况下切换，因此经受减少的负荷。插件模块可具有集成的电动机保护断路器，所述集成的电动机保护断路器具有释放电子件和每相一个电流互感器。基于电流互感器的输出信号，释放电子件控制对电动机的供电的去激活且具体地说在电流过量的情况下实现电动机供电的去激活。

根据德国特许公开申请DE 10 2009 012 942 A1，被设计成作为通风机控制装置使用的电动机起动机是已知的，其具有用于切换电动机绕组的三相总电源的相的半导体开关和作为半导体开关的电子控制单元的微控制器。另外，存在用于三相总电源的三个相中的两个的换能器，所述换能器的电流测量信号被馈送到微控制器，所述微控制器基于所述信号控制总开关，因此能够实施电动机保护功能。

德国特许公开申请DE 197 42 916 A1教导一种用于具体地说集成在可移动和/或手动操作的机器中的电动机的控件，所述可移动和/或手动操作的机器例如搅拌机、电动钻机、研磨机等。控件具有半导体开关作为总开关且具有用于电动机的过载保护功能，所述过载保护功能基于电动机的电流消耗的测量值。另外，电动机的具体操作条件可借助于电位计和按钮栏而调整。

根据德国特许公开申请DE 100 03 692 A1，具有反向功能的基于半导体的电动机起动机是已知的。

发明内容

由本发明处理的问题在于提出一种改进的电动机起动机。

本发明所基于的想法在于形成可在没有机械组件的情况下实施的完全电动机起动机。根据本发明，被配置为形成功率半导体的总开关的固态接触器(半导体接触器)与电动机保护继电器构造在一起，所述电动机保护继电器与用于固态接触器和电动机保护继电器的控制和监测电子件一起组合在壳体中。另外，提供一种被配置为半导体开关且连接于电动机起动机的至少一对辅助触点之间的辅助开关。

本发明的一实施例涉及一种电动机起动机，包括：总开关，被配置为功率半导体，所述总开关形成半导体接触器且具有用于切换电动机绕组的总电源的相的至少一个半导体开关，其中每个半导体开关的第一连接被连接到电动机起动机的对应第一总电流触点；辅助开关，被配置为半导体开关且连接于电动机起动机的至少一对辅助触点之间；电子换能器单元，用于测量总电源的相的电流，所述电子换能器单元连接于总开关的每个半导体开关的第二连接与电动机起动机的对应第二总电源触点之间；和电子控制单元，用于总开关和辅助开关，所述电子控制单元经由电动机起动机的控制触点供电，且换能器单元的测量信号被馈送到所述电子控制单元，且所述电子控制单元被配置成根据经由控制触点的供电和/或根据测量信号来控制总开关和/或辅助开关。由于这种电动机起动机的完全电子的设计，可实现装置中的电动机控件的电子开关和保护。

电动机起动机可具有电子消息传递单元，所述电子消息传递单元由控制单元控制且被设计成以光学方式和/或以声学方式生成关于电动机起动机的状态的消息。举例来说，消息传递单元可控制多色LED(发光二极管)，借助于所述消息传递单元可通过不同色彩和/或闪烁以光学方式用信号通知电动机起动机的不同状态。

电动机起动机也可具有电子参数化单元，所述电子参数化单元被设计成指定电子控制单元的至少一个参数。电子参数化单元可被设计成将以下参数中的至少一个指定为电子控制单元的参数：电动机标称电流；电动机的电源的过载释放的惰性类别；过载释放之后的行为，具体地说自动或手动重新激活。举例来说，可提供例如旋转或拨动开关等电位计或开关以用于设置参数。

电子换能器单元可具有电流换能器和/或霍耳传感器和/或其它合适的测量器械以用于测量总电源的相的电流。

电子控制单元可被设计成基于在控制触点处施加的供电电压调整电动机起动机的额定电压速率。因此，可实现具有通用输入电压范围的电动机起动机。

被配置为功率半导体的总开关可具有被互连为可逆起动机的多个半导体开关。被配置为功率半导体的总开关也可被设计为直流起动机，具有用于电动机绕组的总电源的至少一个相的半导体开关。具体地说，被配置为功率半导体的总开关可被设计为直流起动机，具有用于电动机绕组的总电源的每个相的一个半导体开关。

另外，电动机起动机可具有接口，借助于所述接口从电动机起动机读出过程数据且将其发射到控制中心和/或可接收数据，具体地说电子控制单元的参数。

为了允许电动机起动机的紧凑设计，电动机起动机的电子组件可被共同地布置和布线在例如电路板的载体元件上或布线在一起的多个载体元件上。布线在一起的多个载体元件可例如以堆叠式方式布置以便允许紧凑设计。

附图说明

本发明的其它优点和潜在应用遵循以下描述结合图式中所示出的实施例。

以下附图标记和相关联附图标记的列表中所使用的术语在描述、权利要求书、摘要和图式中使用。

图1示出根据本发明的具有电动机保护的电子直流电动机起动机的实施例的框图；

图2示出根据本发明的具有电动机保护的电子可逆电动机起动机的实施例的框图；

图3示出根据本发明的用于电子可逆电动机起动机的开关和换能器的实施例；

图4示出根据本发明的用于电子直流电动机起动机的开关和换能器的实施例，其中所有电流路径是可切换的；且

图5示出根据本发明的用于电子直流电动机起动机的开关和换能器的实施例，其中三个电流路径中的两个是可切换的。

在以下描述中，类似的、功能上类似的和功能上连接的元件可以具备相同附图标记。绝对值仅是示范性指示且不应被理解为对本发明具有限制影响。

具体实施方式

图1示出具有常用连接触点的三相电子直流电动机起动机10的框图：

11到12：辅助触点对(断开接触)

13到14：辅助触点对(进行接触)

L1到L3：电源侧上的(第一)总电源触点

T1到T3：负荷侧上的(第二)总电源触点

A1到A2：控制触点(线圈连接)

电动机起动机10完全由电子组件构造而成，所述电子组件被布置和布线在充当载体的电路板上。电路板容纳在电动机起动机的壳体中，所述壳体具有以上提及的连接触点。

作为总开关1，电动机起动机10具有固态接触器，所述固态接触器被设计为具有例如通过三端双向可控硅开关元件实现的多个半导体开关的功率半导体。这些半导体开关的第一连接被连接到电动机起动机10的电源侧上的对应(第一)总电源触点L1到L3。

另外，电动机起动机10具有辅助开关2，所述辅助开关2被配置为半导体开关，例如，被配置为三端双向可控硅开关元件，且连接于辅助触点对11到12(断开接触；在此情况下，辅助开关2操作为断开触点)或13到14(进行接触；在此情况下，辅助开关2操作为闭合触点)之间，以便中断或闭合连接到辅助触点对11到12或13到14的信号线。

为了测量总电源的三个相的电流，电动机起动机10具有电子换能器单元3，所述电子换能器单元3例如包括电流换能器、霍耳传感器或类似换能器。每相设置至少一个换能器，所述换能器的尺寸被设定成是总电流路径的最大可容许标称电流的十倍。

总开关1和辅助开关2由电子控制单元4控制，所述电子控制单元4由在控制触点A1和A2处施加的电压供电。施加的电压首先被馈送到整流电路。整流电路的整流的输出电压由DC/DC转换器转换成用于微控制器和驱动器电路的操作电压。微控制器和驱动器电路的微控制器μC执行存储于其内部永久存储器中的固件，所述固件对微控制器μC进行配置以处理换能器单元3的换能器的测量信号，且基于所述信号经由驱动器电路控制总开关1和辅助开关2，如下文将进一步描述。

电动机起动机10也具有另外两个元件5和6：

参数化单元5被提供和设计成将电动机标称电流“Ir”、电动机的电源的过载释放的惰性类别“类别”、在过载释放之后的行为“手动/自动”(自动或手动重新激活)指定为电子控制单元4的参数。手动重新激活由“重置”开关实现，即，在过载释放和后续冷却相之后，电动机可借助于“重置”开关而重新启动。单元5的参数“Ir”和参数“类别”、“手动/自动”借助于被配置为旋转开关或电位计的致动元件而调整。按钮或拨动开关可设置为“重置”开关。微控制器μC现在监测电动机，同时考虑由参数化单元5指定的参数，且相应地控制总开关1，即，其激活或去激活总开关1的半导体开关。

消息传递单元6由电子控制单元4控制且用于以光学方式和/或以声学方式用信号通知电动机起动机的状态。基于换能器单元3的换能器的测量信号，状态由微控制器μC通过使用电动机的模型对电动机暖机进行模拟(温度模拟)来确定。对于光学消息，单元6具有双色LED，状态可借助于所述双色LED被指示如下：

LED断开：无供电电压施加到控制连接A1和A2。

LED闪耀绿色：总开关1被激活，温度模拟<100％

LED在1Hz下闪烁红色：100％<温度模拟<105％

LED在5Hz下闪烁红色：105％<温度模拟<110％

LED闪耀红色：温度模拟<110％，总开关1被去激活，电动机在冷却相中

LED在1Hz下闪烁绿色：电动机的冷却相在过载之后从“重置”重新激活完成，控制中心指示“手动”

可提供另一个LED以便指示连接的负荷处的断相：

LED断开：无断相

LED黄色：断相

电动机起动机10也可具有接口(未描绘)，可借助于所述接口从电动机起动机读出过程数据且将其发射到控制中心。举例来说，可读出电流测量值、调整值、释放原因、过载/断相等且作为过程数据发射。接口也可被设计成接收数据，例如，参数化单元5的参数，且因此可远程调整上文所描述的参数中的至少一些。

从数据技术上说，接口可由微控制器μC实施，所述微控制器μC可具有用于将电动机起动机与总线系统耦合的额外模块，所述总线系统例如基于属于Eaton Corp的

技术或为根据标准IEC 61158的现场总线总线系统或由工业乙太网实施。微控制器μC也可被配置成主控多个总线协议且使用所述多个总线协议来发送和接收数据。

图4和5示出用于电子直流电动机起动机10的开关和换能器的两个实施例。

图4示出具有辅助开关2和换能器单元3的总开关1，通过将总开关1的三端双向可控硅开关元件1'连接到每个电流路径可借助所述总开关来切换所有三个电流路径。另外，换能器单元3的电流换能器3'连接到每个电流路径。辅助开关2由连接于辅助触点对13到14之间的三端双向可控硅开关元件2'实现。

图5示出一实现，其中通过将总开关1的一个三端双向可控硅开关元件1'连接到电流路径L1到T1和L3到T3中的每一个可切换三个电流路径中的两个。否则，此实现对应于图4中所示出的实现。

图2示出三相电子可逆电动机起动机11的框图，其与图1中所示出的电动机起动机10的不同之处在于提供不仅是两个而是三个控制触点(线圈连接)A1到A3且另外使用适合于可逆电动机起动机的总开关，例如图3中所示出的开关和换能器的实施例，其中总开关1的一个三端双向可控硅开关元件1'连接到电流路径L1到T1和L3到T3中的每一个，且总开关1的一个三端双向可控硅开关元件1'另外连接于总电源触点L1到T3与L3到T1之间。在图3所示出的实施例中，辅助开关2也具有连接于两个辅助触点对13到14与23到24之间的两个三端双向可控硅开关元件2'。

根据本发明的电动机起动机具有若干优点：

通过结合两个功能“切换和保护”，可减少生产和存储成本。用于控制半导体开关的电子件和用于监测总电流路径的电流的电子件可被组合以形成电子单元。

根据本发明的电动机起动机允许减少布线费用。另外，用于在过载的情况下(例如，断开触点95到96，闭合触点97到98)去激活接触器的至少一个额外辅助接触可被省略。此外，无需用于通过电动机保护继电器去激活接触器的额外布线。内部控制电子件可替换额外辅助触点和所需外部布线。在过载的情况下，电子件去激活半导体开关元件(总触点和辅助开关断开、闭合)。

原则上，根据本发明的电动机起动机允许借助于内部去激活的接触器(半导体开关)来模拟电动机温度：在电动机起动机与供电电压断开连接的情况下，温度模拟可被存储在内部。因此，模拟的电动机温度的信息不会丢失且也可在重新激活之后加以考虑。

根据本发明的电动机起动机进一步允许提供经由内部控制电子件的DC/DC转换器连接的供电电压(电动机保护功能和开关功能)。这允许电动机起动机的测量装置(例如，电流换能器)的有成本效益的设计，原因是其无需消耗电子件的能量供应，在电动机保护继电器被设计为具有外部电源的个别模块的情况下将会消耗电子件的能量供应。

多电压电源可被插入到根据本发明的电动机起动机中，从而使得有可能利用大约24伏特到大约240伏特范围内的供电电压来构造固态接触器，包含电动机保护功能。切断限值基于在控制触点A1、A2(、A3)处施加的供电电压而自动确定。因此，电动机起动机的电压可从总体大约四个减少到一个单电压。根据本发明的电动机起动机也可设计有多个电压。

Claims (13)

1.一种电动机起动机(10)，包括

总开关(1)，被配置为功率半导体，所述总开关(1)形成半导体接触器且具有用于切换电动机绕组的总电源的相的至少一个半导体开关，其中每个半导体开关的第一连接被连接到所述电动机起动机(10)的对应电源侧上的第一总电流触点(L1、L2、L3)，

辅助开关(2)，被配置为半导体开关且连接于所述电动机起动机的至少一对辅助触点(11、12、13、14)之间，所述辅助开关用于中断或闭合连接到所述至少一对辅助触点(11、12、13、14)的信号线，

电子换能器单元(3)，用于测量所述总电源的所述相的电流，所述电子换能器单元(3)连接于所述总开关(1)的每个半导体开关的第二连接与所述电动机起动机(10)的对应负荷侧上的第二总电源触点(T1、T2、T3)之间，以及

电子控制单元(4)，用于所述总开关(1)和所述辅助开关(2)，所述电子控制单元(4)经由所述电动机起动机(10)的控制触点(A1、A2)供电，且所述电子换能器单元(3)的测量信号被馈送到所述电子控制单元(4)，且所述电子控制单元(4)被配置成根据经由所述控制触点(A1、A2)的所述供电和/或根据所述测量信号来控制所述总开关(1)和/或所述辅助开关(2)。

2.根据权利要求1所述的电动机起动机，其特征在于

其具有消息传递单元(6)，所述消息传递单元(6)由所述电子控制单元(4)控制且被配置成以光学方式和/或以声学方式生成关于所述电动机起动机的状态的消息。

3.根据权利要求1或2所述的电动机起动机，其特征在于

其具有电子参数化单元(5)，所述电子参数化单元(5)被设计成指定用于所述电子控制单元(4)的至少一个参数。

4.根据权利要求3所述的电动机起动机，其特征在于

所述电子参数化单元(5)被设计成将以下参数中的至少一个指定为用于所述电子控制单元(4)的参数：电动机标称电流；电动机的所述电源的过载释放的惰性类别；过载释放之后的行为。

5.根据权利要求4所述的电动机起动机，其特征在于所述过载释放之后的行为是自动或手动重新激活。

6.根据权利要求1所述的电动机起动机，其特征在于

所述电子换能器单元(3)具有电流换能器和/或霍耳传感器和/或其它合适的测量器械以用于测量所述总电源的所述相的所述电流。

7.根据权利要求1所述的电动机起动机，其特征在于

所述电子控制单元(4)被设计成基于在所述控制触点(A1、A2)处施加的供电电压调整所述电动机起动机的额定电压速率。

8.根据权利要求1所述的电动机起动机，其特征在于

被配置为功率半导体的所述总开关(1)具有被互连为可逆起动机的多个半导体开关。

9.根据权利要求1所述的电动机起动机，其特征在于

被配置为功率半导体的所述总开关(1)被设计为直流起动机，具有用于所述电动机绕组的所述总电源的至少一个相的半导体开关。

10.根据权利要求9所述的电动机起动机，其特征在于

被配置为功率半导体的所述总开关(1)被设计为直流起动机，具有用于所述电动机绕组的所述总电源的每个相的一个半导体开关。

11.根据权利要求1所述的电动机起动机，其特征在于

其具有接口，借助于所述接口从所述电动机起动机读出过程数据且将所述过程数据发射到控制中心和/或能够接收数据。

12.根据权利要求11所述的电动机起动机，其特征在于

所述数据是用于所述电子控制单元(4)的参数。

13.根据权利要求1所述的电动机起动机，其特征在于

所述电动机起动机(10)的电子组件(1、2、3、4、5、6)被共同地布置和布线在载体元件上或布线在一起的多个载体元件上。

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