CN109716478A - 电机起动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机起动器，其具有电机保护断路器(10)和接触器(12)，电机保护断路器具有电子触发装置(14)，接触器与电机保护断路器(10)相应地相互连接以形成所述电机起动器。按照本发明在电机保护断路器(10)与接触器(12)之间设有至少一条控制导线(16、16')，根据用于开关所述接触器(12)的开关信号(18)而产生的控制信号经由所述至少一条控制导线从所述接触器(12)被传输给所述电子触发装置(14)，以及所述电子触发装置(14)构成用于根据所述控制信号和经过所述电机保护断路器(10)的一个或多个开关触点(20)的电流来产生用于切断经过所述电机保护断路器(10)的所述一个或多个开关触点(20)的电流的触发信号(22)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电动机的电机起动器。
背景技术
如今的电机起动器通常包括电机保护断路器和接触器的组合，例如伊顿公司的电机起动器，其结合了PKZ或PKE类型的电机保护断路器和DILM类型的接触器。
将机电式接触器用于接通和断开电机以及如在上面阐述的电机起动器中的电气负载是自数十年来所建立的技术。机电式接触器可以成本低廉地制造，其机械接触元件承受大的短路电流并且在断开状态下将电气负载在所有极并且电流地与电源分离。
为了开关电气负载，也越来越多地使用半导体开关，所谓的固态继电器(SSR)或固态接触器(SSC)。它们以前和现在例如被用作用于频繁接通和断开电阻负载、如加热器或红外功率辐射器(IR-Leistungsstrahler)的单极半导体开关。通过持续进一步发展功率半导体、如晶闸管和三端双向可控硅元件，它们变得越来越耐压并且也具有越来越小的损耗功率。
其间，在一定功率范围内可使用纯半导体开关代替用于开关电机的传统接触器，例如美国圣地亚哥的快达公司(Crydom Inc)的DRC类型的半导体接触器或佳乐有限公司(Carlo Gavazzi)的RGCM类型的半导体接触器。这些半导体接触器相对于传统接触器具有一些优点和缺点：首先优点是，没有开关触点的机械磨损并且因此可能的接通和断开过程的数量高，接通和断开快速以及可能的集成的相位转换(Phasenumschaltung)，以便例如在尤其是壳体宽度为45mm的同一外形参数中也在反向保护电路中运行电机。缺点是，在切断时没有产生电流分离，在接通状态下存在一定损耗功率并且因此存在余热，这必须通过适当的措施、例如使用冷却体导出，以及较小的短路耐受强度(Kurzschlussfestigkeit)和开关功率。
发明内容
本发明的任务是，提出一种尤其是适合与半导体开关一起使用的电机起动器。
该任务通过独立权利要求的技术方案来解决。从属权利要求的技术方案是本发明的进一步设计方案。
本发明所基于的构思在于，在电机起动器中实现保护功能，该保护功能能够实现在即使接触器由于失效而不再能够引起分离时也能够分离电机负载。尤其是在半导体接触器中可能出现由于击穿(Durchlegierung)造成的这种失效。在传统的电机保护断路器-接触器组合中，在这样的故障情况下通常不实现分离，因为该故障情况不被检测并且也不规定检测，而是仅在电机中检测电机负载的故障情况、例如短路并且通过电机保护断路器引起负载分离。
现在，本发明的实施方式涉及一种具有电机保护断路器和接触器的电机起动器，所述电机保护断路器具有电子触发装置，所述接触器与所述电机保护断路器相应地相互连接以形成所述电机起动器。按照本发明，在电机保护断路器与接触器之间设有至少一条控制导线，根据用于开关接触器的开关信号所产生的控制信号经由所述至少一条控制导线从接触器被传输给电子触发装置，并且该电子触发装置构成用于根据控制信号和经过电机保护断路器的一个或多个开关触点的电流来产生用于切断经过电机保护断路器的所述一个或多个开关触点的电流的触发信号。由此，利用相对小的电路耗费能够覆盖如下故障情况，即：接触器的开关触点虽然存在用于切断电机负载的开关信号但仍然不被断开。
电机起动器可以具有电气能量储存器、尤其是缓冲电容器用于给所述电子触发装置供应能量。由此，在电机保护断路器中针对如下情况也能够被触发，即：通常在电机保护断路器中通过电流变换器获得的用于触发的电能不足。所述电气能量储存器可以设置为附加于接触器和电机保护断路器的外部单元，或者它可以被集成到接触器或电机保护断路器中。例如，所述接触器可以具有所述电气能量储存器，该电气能量储存器被开关信号充电，并且在电机保护断路器与接触器之间可以设有辅助能量导线，电气能量储存器能够经由该辅助能量导线给电子触发装置供应能量。通过经由辅助能量导线由缓冲电容器提供使用的附加能量然后能够提供足够的能量用于触发。备选地，所述电机保护断路器也可以具有所述电气能量储存器，该电气能量储存器被为了开关接触器所产生的控制信号充电。
此外，所述接触器可以具有可编程单元、尤其是微控制器并且具有与该可编程单元耦接的用于根据开关信号控制接触器的一个或多个开关触点的控制电子装置，并且所述可编程单元可以这样配置，使得其根据用于开关接触器的所述一个或多个开关触点的控制电子装置的数据来产生用于电子触发装置的控制信号并且经由所述至少一条控制导线按照预定的数据通信协议传输给电机保护断路器的设置用于数据通信的并且与电子触发装置耦接的数据接口。这例如能够实现在按照本发明的电机起动器中使用开头提到的PKE类型的具有数据接口的电机保护断路器。
接触器可以对于每个相都具有至少一个半导体开关作为开关触点。
为了实现具有尽可能紧凑的尺寸的电机起动器，例如可以将PKE类型的电机保护断路器与半导体接触器组合。换向起动器的空间需求能够通过使用半导体接触器而从90mm的结构宽度减小到45mm的结构宽度。然而，在直接起动器的情况下没有该结构宽度减小的优点。因此，这样的装置组合需要与例如PKE类型的电机保护断路器和DILM类型的接触器的传统组合一样多的空间。该问题可以通过如下方式解决，即：这样构造由PKE型号的电机保护断路器和半导体接触器的组合组成的电机起动器，使得电机保护断路器被装配在半导体接触器上，类似于由德国实用新型文献DE 295 08 61 1 U1已知的那样。由此能够节省装配空间并且因此节省在电路箱的装配板上的面积。因而，接触器可以在其前侧具有紧固器件，电机保护断路器能以其下侧被紧固在所述紧固器件上。为了能够高效地将由于半导体接触器中的损耗功率而产生的余热导出，此外可以设有冷却模块，该冷却模块在其背侧具有用于电路箱装配的紧固器件并且在其前侧具有如下紧固器件，接触器能以其在下侧被紧固所述紧固器件上。
电机保护断路器可以具有至少一个电流测量器件、尤其是电流变换器并且具有由一个或多个所述电流测量器件在输入侧馈入的测量和能量供应电路，该测量和能量供应电路用于给电子触发装置和给用于操作电机保护断路器的一个或多个开关触点的致动器的供电。这不仅能够实现测量经过电机保护断路器的开关触点的电流流动，而且也能够实现产生对于通过电机保护断路器的触发/切断/负载分离过程所需要的能量。
本发明的另一种实施方式涉及一种接触器，该接触器构成用于在根据本发明的电机起动器中使用并且如在此所描述的那样构成，该接触器具有用于所述至少一条控制导线的接口，所述至少一条控制导线用于将根据用于开关接触器的开关信号而产生的控制信号传输给电机保护断路器的电子触发装置。
接触器可以具有电气能量储存器、尤其是缓冲电容器，其被开关信号充电，并且所述接口可以具有用于在电机保护断路器与接触器之前的辅助能量导线的接头，电气能量储存器经由该辅助能量导线能够给电子触发装置供应能量。
接触器可以具有可编程单元、尤其是微控制器并且具有与该可编程单元耦接的用于根据开关信号控制接触器的一个或多个开关触点的控制电子装置，并且所述可编程单元可以这样配置，使得其根据用于开关接触器的所述一个或多个开关触点的控制电子装置的数据来产生用于电子触发装置的控制信号并且经由所述至少一条控制导线按照预定的数据通信协议将所述控制信号传输给电机保护断路器的设置用于数据通信的并且与电子触发装置耦接的数据接口。
接触器可以每相具有至少一个半导体开关作为开关触点和/或在其前侧具有紧固器件，电机保护断路器能以其下侧被紧固在所述紧固器件上。
附图说明
本发明的其他优点和应用可能性由以下结合在附图中示出的实施例的说明中得出。
在所述附图中：
图1示出按照本发明的电机起动器的一个实施例的框图和该电机起动器的电机保护断路器和接触器的电路连接；
图2示出构成用于在按照本发明的电机起动器中使用的接触器的一个实施例的框图；
图3示出按照本发明的电机起动器的第二实施例的框图和该电机起动器的电机保护断路器和接触器的电路连接，该电路连接包括辅助能量导线；
图4示出按照本发明的电机起动器的第三实施例的框图和该电机起动器的电机保护断路器和接触器的电路连接；
图5示出按照本发明的电机起动器的第四实施例的框图和该电机起动器的电机保护断路器和接触器的电路连接，其中使用PKE类型的传统电机保护断路器；以及
图6示出按照本发明的电机起动器的第五实施例的框图和该电机起动器的电机保护断路器和接触器的电路连接，其中该接触器具有用于控制接触器功能的现场总线数据接口。
具体实施方式
在以下说明中，相同的、功能相同的和功能关联的元件可以设有相同的附图标记。绝对值在下面仅示例性地给出并且不应理解为限制本发明。
图1示出用于三相电机M的三相电机起动器。该电机起动器具有电机保护断路器10、例如开头提到的PKE类型的保护断路器并且具有接触器12。电机保护断路器10以常见的方式经由接线端子11与供电网的三个相L1、L2、L3连接。电机M的电网接头与接触器12的相应的接线端子12'连接。接触器的其他接线端子12与电机保护断路器10的接线端子11'连线。三个内部的开关触点对(每相一个开关触点对)经由旋转开关9断开或接通。附加地，电机保护断路器10在内部还具有用于例如在过载或短路时切断电机的保护装置，该保护装置在下面还要参考图3和4详细说明。
电机M在电机保护断路器10的开关触点接通时经由接触器12起动。为此，接触器12具有用于传递开关信号18的接口43，该开关信号例如可以由SPS(可编程逻辑控制器)19产生。SPS19被供以24V直流电压(参考电势GND)并且具有24V直流开关输出端，控制信号18存在于该开关输出端上(0V/24V直流)。如果接触器12的开关触点被断开，亦即接触器12被切断，则SPS19输出0V作为开关信号。为了接通接触器12的开关触点，SPS19输出24V直流开关信号18。当然也可想到其他电压值用于断开和接通接触器12的开关触点，例如正好反过来0V用于接通，而24V直流用于断开。
接触器12可以实现为机电式接触器、半导体接触器或混合式接触器(机电式接触器与半导体接触器组合)。
在没有附加保护措施的情况下，电机负载仅由电机保护断路器10切断，即对于由电机保护断路器10检测到过载或检测到短路的情况。如果在接触器12中出现电气失效，例如在半导体接触器中的击穿或在接触器12中的短路，接触器的开关触点由此持续保持接通，则电机负载不再能够经由SPS19的开关信号18切断。在接触器12的这种失效中，电机M则持续运行。电机保护断路器10则如上所阐述的那样仅在电机M中的过载情况下或短路时才切断。
为了在接触器12失效时也能够实现切断电机负载，例如可以设置附加开关机构和电流测量装置，从而在由电流测量装置检测到经过接触器12的电流情况下尽管存在用于切断接触器12的开关信号18，由电流测量装置相应地操控的附加开关机构也仍然切断通过电机绕组的电流。
为了最小化用于这样的切断的耗费，按照本发明使用在电机保护断路器10中本来就存在的电流测量装置并且所述保护断路器这样配置，使得通过与接触器12相应地相互连接，即使在接触器12电气失效的情况下也能够实现切断，即经由相应的控制信号专门控制，该控制信号即使在失效情况下也能够由接触器12产生并且经由附加的在接触器12的接口42与电机保护断路器10的相应输入端之间的导线16、16'从接触器12传输给电机保护断路器10。在接触器12的接口42与电机保护断路器10之间为了传输辅助能量而可以设置另外的导线26，所述辅助能量附加地提供给电机保护断路器10用于切断或用于触点断开。
现在在下面借助其他实施例详细阐述用于按照本发明的电机起动器的电路设计。
图2示出半导体接触器12'，该半导体接触器专门构成用于在按照本发明的电机起动器中使用并且为此具有用于控制接触器12'的实现为半导体开关的开关触点32的控制电子装置30。开关触点32例如可以通过晶闸管、三端双向可控硅元件或功率晶体管(例如双极功率晶体管、功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT)实现，其控制输入端由控制电子装置30来操控并且其功率路径被连接在接线端子13和13'之间。半导体接触器12'此外具有已经提到的用于连接控制导线16、16'的接口42，控制信号经由所述控制导线被传输给电机保护断路器10，该控制信号根据开关信号18产生。在示出的半导体接触器12'中，直接通过开关信号18产生控制信号，即控制信号在此相当于开关信号18，如通过将接口42与用于开关信号18的接口43相互连接所表示的那样。因此，当存在半导体接触器12'的接通指令时，控制信号通知电机保护断路器10。
可以区分电机起动器的三种重要的运行状态，它们可能出现并且对于通过电机保护断路器10处理控制信号是重要的：
正常运行状态，在接触器12'中没有故障：
现在如果出现故障情况，在该故障情况下一个或多个半导体开关32失效并且持续地接通、尤其是被击穿，并且半导体接触器12'因而在接线端子13和13'之间具有一个或多个短路点，则电机负载不再能够通过接触器12'切断，得到下列信号组合：
在上述故障情况下，电机保护断路器10此时可以分离电路并且切断电机负载。通过如下方式实现触发，即：电机保护断路器10的电子触发装置构成用于根据经由导线16、16'传输的控制信号和经过电机保护断路器10的开关触点的电流来产生触发信号，利用该触发信号能切断经过电机保护断路器10的开关触点的电流流动，亦即如在电机中出现故障情况时那样触发电机保护断路器，只不过由于接触器12中的故障情况才开始触发电机保护断路器。
为此在电机保护断路器10中所需要的电路技术在图3中详细示出：经由导线16、16'传输的并且参考参考电势GND的控制信号由电机保护断路器10的电子触发装置14接收。经过电机保护断路器10的开关触点20的电流经由电流变换器36(在图3中每相一个电流变换器，也可以是其他电流测量器件或较少电流变换器，例如一个电流变换器针对所有相)来测量。电流变换器36的测量值或测量信号被传递给测量和能量供应电路38，该测量和能量供应电路设置用于给用于断开和接通机械开关触点20的致动器40供电。测量和能量供应电路38的表明经过一个或多个开关触点20的电流的输出信号39被传递给电子触发装置14，该电子触发装置在存在控制信号0V(亦即经由开关信号18表明了“切断电机负载”)并且因而输出信号39表明电流流动时产生触发信号22。触发信号22操作开关23，以便触发致动器40。由此断开开关触点20并且中断经过电机保护断路器10的电流，亦即切断电机负载。开关23的操作尤其是包括短暂的接通和接着的断开，以便能够触发致动器40。该致动器经由开关锁(在此未示出)被功能耦接到开关触点20上。如果开关23为了断开开关触点20而被接通，则致动器40被通电并且然后可以断开开关触点20；在触发之后，开关23再次被断开，从而致动器不再被通电。而如果在致动器40的基本位置中断开开关触点20，则所述开关触点可以通过操作旋转开关9而再次被接通，其中，同时致动器40再次为了可能的另外的触发而被预加载。
因为电机保护断路器10的触发能量通常经由电流变换器36产生，所以在负载电流较小的情况下可能出现用于触发的能量不足。在该情况下，虽然触发装置14知道它应该触发，然而由于可使用的能量过小而不能够实现。为了覆盖该情况，按照本发明可以附加地在接触器12中设置缓冲电容器24作为电气能量储存器，该电气能量储存器为了触发而经由另外的从接触器12的接口42至电路保护断路器109的辅助能量导线26提供附加能量。缓冲电容器24为此被连接在接口43的两个接头之间并且因此经由开关信号18被充电，只要该开关信号为24V直流，亦即表明“接通电机负载”。在实践中，缓冲电容器则位于参考电势GND与24V直流之间。在开关信号24V直流与缓冲电容器24的接头之间连接的二极管确保缓冲电容器24在开关信号为0V时不能被放电。始终使用电势GND作为参考电势，该电势也可经由导线16'提供给电机保护断路器10使用。
图4示出一种实现方式，在该实现方式中在电机保护断路器10'中布置有缓冲电容器24。如示出的那样，在该实现方式中在接触器12'的接口42与电机保护断路器10'之间仅需要两条导线16、16'，亦即可以取消辅助能量导线26。然而，在接触器12'与电机保护断路器10'之间的相对于图3的实现方式减少的接线耗费取决于修改的如在图4中所示的那样安装有缓冲电容器24的电机保护断路器10'。
图5示出具有开头提到的PKE类型的电机保护断路器10"的实现方式，该电机保护断路器具有能通信的数据接口34。为了也能够利用这样的电机保护断路器10"实现按照本发明的电机起动器，使用半导体接触器12"，该半导体接触器具有微控制器μC 28作为可编程单元。微控制器28这样配置，使得其根据接触器的用于开关接触器12"的一个或多个开关触点32的控制电子装置30的数据来产生用于电子触发装置14的控制信号并且经由例如实现为扁平带状数据线的控制导线16"传输该控制信号，该控制导线被连接在接触器12'的相应接口42"与电机保护断路器10"的数据接口34之间。按照通过电机保护断路器10"的数据接口34预定的数据通信协议传输数据。如已经在图3和图4中示出的那样，在此同样可以存在可能的缓冲电容器作为能量储存器。
图6示出具有例如开头提到的PKE类型的电机保护断路器10并且具有带有现场总线数据接口43'的接触器'"的实现方式。现场总线数据接口43'例如可以构成用于连接到总线系统上并且用于经由总线系统进行数据通信，该总线系统基于伊顿公司的SmartWire-技术和/或Profibus-DP/AS接口/Modbus(例如在RTU-Modus中)/IO-Link标准。接口43'也可以借助按照上述标准的多个不同的总线协议构成用于数据通信，因此接触器12'"可以通用地在不同的总线系统上运行。在图6示出的实现方式与在图1中示出的实现方式区别主要在于，接触器功能“打开/关闭”的控制经由数据接口43'控制和经由提供辅助电压的可能性。在图1中接触器功能“打开/关闭”经由SPS19来控制，而在图6示出的实现方式中接触器功能“打开/关闭”经由现场总线18'来实现，在该现场总线上连接有能操控多个现场总线从站19"、19'"的现场总线主站19'。接触器12'"在该实现方式中也作为现场总线从站运行，其能够如其他现场总线从站19"和19'"那样由现场总线主站19'控制。当例如接触器12'"配备有用于SmartWire-的数据接口时，可以取消如图3和4的实现方式的缓冲电容器24那样的电气能量储存器，因为在该情况下确保了持续供应辅助能量。
Claims (10)
1.一种电机起动器，具有：
-电机保护断路器(10)，其具有电子触发装置(14)；以及
-接触器(12)，其与电机保护断路器(10)相应地相互连接以形成所述电机起动器；
其特征在于，
-在所述电机保护断路器(10)与所述接触器(12)之间设有至少一条控制导线(16、16')，根据用于开关所述接触器(12)的开关信号(18)而产生的控制信号经由所述至少一条控制导线从所述接触器(12)被传输给所述电子触发装置(14)，以及
-所述电子触发装置(14)构成用于根据所述控制信号和经过所述电机保护断路器(10)的一个或多个开关触点(20)的电流而产生用于切断经过所述电机保护断路器(10)的所述一个或多个开关触点(20)的电流的触发信号(22)。
2.根据权利要求1所述的电机起动器，其特征在于，所述电机起动器具有用于给所述电子触发装置(14)供应能量的电气能量储存器(24)。
3.根据权利要求2所述的电机起动器，其特征在于，
-所述接触器(12)具有所述电气能量储存器，该电气能量储存器被所述开关信号(18)充电，并且在所述电机保护断路器(10)与所述接触器(12)之间设有辅助能量导线(26)，所述电气能量储存器(24)能经由所述辅助能量导线给所述电子触发装置(14)供应能量；或者
-所述电机保护断路器(10')具有所述电气能量储存器，该电气能量储存器被产生用于开关所述接触器(10)的控制信号(18)充电。
4.根据权利要求1、2或3所述的电机起动器，其特征在于，
-所述接触器(12')具有可编程单元(28)并且具有与该可编程单元(28)耦接的用于根据所述开关信号(18)控制所述接触器(12')的一个或多个开关触点(32)的控制电子装置(30)；以及
-所述可编程单元(28)这样配置，使得其根据用于开关所述接触器(12')的所述一个或多个开关触点(32)的控制电子装置(30)的数据来产生用于所述电子触发装置(14)的控制信号并且经由所述至少一条控制导线(16")按照预定的数据通信协议传输给所述电机保护断路器(10')的设置用于数据通信的并且与所述电子触发装置(14)耦接的数据接口(34)。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的电机起动器，其特征在于，所述接触器(12，12')对于每相具有至少一个半导体开关(32)作为开关触点。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的电机起动器，其特征在于，
-所述接触器(12，12')在其前侧具有紧固器件，所述电机保护断路器(10，10')能以其下侧被紧固在所述紧固器件上，以及
-设有冷却模块，该冷却模块在其背侧具有用于电路箱装配的紧固器件并且在其前侧具有所述接触器(12，12')能以其下侧被紧固在其上的紧固器件。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电机起动器，其特征在于，所述电机保护断路器(10，10')具有至少一个电流测量器件(36)并且具有由一个或多个所述电流测量器件(36)在输入侧馈入的测量和能量供应电路(38)，该测量和能量供应电路用于给所述电子触发装置(14)和给用于操作所述电机保护断路器(10，10')的所述一个或多个开关触点(20)的致动器(40)供电。
8.一种接触器(12)，该接触器构成用于在根据上述权利要求中任一项所述的电机起动器中使用，所述接触器具有用于所述至少一条控制导线(16，16')的接口(42)并且具有电气能量储存器(24)，所述至少一条控制导线用于将根据用于开关所述接触器(10)的开关信号(18)产生的控制信号传输给电机保护断路器(10)的电子触发装置(14)，所述电气能量储存器被所述开关信号(18)充电，其中，所述接口(42)具有用于在电机保护断路器(10)与接触器(12)之间的辅助能量导线(26)的接头，所述电气能量储存器(24)能经由所述辅助能量导线给所述电子触发装置(14)供应能量。
9.根据权利要求8所述的接触器，其特征在于，
-所述接触器具有可编程单元(28)并且具有与该可编程单元(28)耦接的用于根据所述开关信号(18)控制所述接触器(12')的一个或多个开关触点(32)的控制电子装置(30)；以及
-所述可编程单元(28)这样配置，使得其根据用于开关所述接触器(12')的所述一个或多个开关触点(32)的控制电子装置(30)的数据来产生用于所述电子触发装置(14)的控制信号并且经由所述至少一条控制导线(16")按照预定的数据通信协议传输给所述电机保护断路器(10')的设置用于数据通信的并且与所述电子触发装置(14)耦接的数据接口(34)。
10.根据权利要求8或9所述的接触器，其特征在于，
-所述接触器对于每相具有至少一个半导体开关(32)作为开关触点；和/或
--所述接触器在其前侧具有紧固器件，所述电机保护断路器(10，10')能以其下侧被紧固在所述紧固器件上。
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