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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sind auf ein Überbrückungsteil
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Sanftstartgerät zum Steuern
von Betriebsströmen
von Elektromotoren und auf ein Schütz.
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Stand der Technik
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Sanftstartgeräte der neuen
Generation bestehen aus einem Halbleiterleistungsteil für den Motoranlauf
sowie aus einem Überbrückungsteil
für die Stromführung in
der Betriebsphase.
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Das Überbrückungsteil
kann beispielsweise durch ein mechanisches Schütz realisiert werden. Durch
das Überbrückungsteil
werden die elektrischen Verluste in der Betriebsphase erheblich
reduziert, was kleinere Geräteabmessungen
ermöglicht und
die erforderlichen Kühlmaßnahmen
reduziert.
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Durch
eine geeignete Ansteuerung des Halbleiterleistungsteils und des Überbrückungsteils kann
beim Stromwechsel vom Halbleiterleistungsteil auf das Überbrückungsteil
und umgekehrt eine Lichtbogenbildung nahezu komplett vermieden und
damit eine wesentlich längere
Lebensdauer der den Strom schaltenden Kontakte erzielt werden. Wenn
nämlich der
Motoranlauf mit dem Halbleiterleistungsteil durchgeführt wird
und das Überbrückungsteil
so erst in der Betriebsphase benutzt wird, kann das Schalten des
Schützes
auf eine lichtbogenarme oder lichtbogenfreie Weise durchgeführt werden
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Das Überbrückungsteil
kann deshalb auch ohne Lichtbogenlöschkammer konstruiert werden, was
als eine einfachere Konstruktion eine geringere Anzahl Teile erfordert.
Dadurch entstehen geringere Herstellungskosten und das Gerät kann leichter
und kleiner dimensioniert werden.
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Als Überbrückungsteil
kann ein normales Schütz
benutzt werden. Zur Stromerhöhung
können auch
Schütze
parallel geschaltet werden, wobei die Schütze jedoch nur mit einem Teil
ihres Nennstromes betrieben werden dürfen, da die Stromaufteilung
in aller Regel nicht symmetrisch erfolgt. Die Stromunsymmetrie wird
durch das lichtbogenarme Schalten vergrößert, da sich wegen des fehlenden
Lichtbogens leichter Fremdschichten bilden können, die den Stromfluss behindern.
Die Parallelschaltung von Schützen
stellt somit in dieser Anwendung eine nicht optimale Lösung dar,
da die Schütze
nur begrenzt ausgenutzt werden können.
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Für Gerätenennströme bei oder über 1000
A ist die erwartete jährliche
Nachfrage an Sanftstartgeräten
jedoch noch zu klein, um die Entwicklungsarbeit der entsprechenden Überbrückungsteile
auf eine wirtschaftlich sinnvolle Weise zu ermöglichen. Stattdessen muss auf
vorhandene Standardschütze
zurückgegriffen
werden, die zum einen immer mit Lichtbogenlöschkammer ausgestattet sind
und zum anderen nur in einer sehr geringen Typenvielfalt vorhanden
sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die Schaffung eines Überbrückungsteils
für relativ
hohe Ströme
mit geringen Entwicklungskosten. Insbesondere kann ein solches Überbrückungsteil
für den
Einsatz in einem Sanftstartgerät
oder in einem Schütz
geeignet sein.
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Diese
Aufgabe kann mit einem Überbrückungsteil
nach Anspruch 1 gelöst
werden, nämlich wenn
das Überbrückungsteil
mindestens ein wärmeableitendes
Mittel aufweist, das ausgebildet ist, Wärme von mindestens einer der
Strombahnen, von dem mindestens einen festen Schaltstück und/oder
von dem mindestens einen beweglichen Schaltstück abzuleiten. Dann ist es
möglich,
ein für
kleinere Betriebsströme
designiertes Überbrückungsteil
zu benutzen, bei gleichzeitiger Vermeidung der Verwendung eines
großen
Schützes.
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Weitere
vorteilhafte Aspekte der Erfindung werden in den untergeordneten
Ansprüchen
beschrieben.
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Vorteile der Erfindung
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Wenn
ein Überbrückungsteil
mit mindestens einer eingangsseitigen Strombahn und einer entsprechenden
ausgangsseitigen Strombahn, wobei das Überbrückungsteil ausgebildet ist,
die mindestens eine eingangsseitige Strombahn und die entsprechenden
ausgangsseitigen Strombahn mit mindestens einem festen Schaltstück und mit
mindestens einem beweglichen Schaltstück anhand eines Steuersignals
elektrisch leitend zu verbinden oder zu trennen, zusätzlich mindestens
ein wärmeableitendes Mittel
aufweist, das ausgebildet ist, Wärme
von mindestens einer der Strombahnen, von dem mindestens einen festen
Schaltstück
und/oder von dem mindestens einen beweglichen Schaltstück abzuleiten, kann
die Verlustleistung reduziert werden. Eventuell kann dann ein für kleinere
Betriebsströme
designiertes Überbrückungsteil
auch für
höhere
Betriebsströme
angewendet werden, was auch das Endgewicht oder die Abmessungen
des fertigen Gerätes
oder der Vorrichtung reduzieren kann. Die Benutzung eines für kleinere
Betriebsströme
konzipierten Überbrückungsteiles
kann zu geringeren Entwicklungskosten führen, da eine Sonderentwicklung
für das Überbrückungsteil
nicht mehr benötigt
wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist ein wärmeableitendes
Mittel auf dem mindestens einen beweglichen Schaltstück angebracht.
In einem gewöhnlichen Überbrückungsteil
finden die elektrischen Verluste am größten an den beweglichen Schaltstücken statt.
Durch gezieltes Kühlen
am Schaltstück
können
diese Verluste effektiv reduziert werden.
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Die
Kühlwirkung
kann verbessert werden, wenn das auf dem mindestens einen beweglichen Schaltstück angebrachte
wärmeableitende
Mittel eine vergrößerte Oberfläche und/oder
mindestens einen Kühlkörper umfasst.
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In
einer weiteren Ausführungsform,
die sich auch mit der ersten Ausführungsform kombinieren lässt, ist
in einem Sanftstartgerät
ein wärmeableitendes
Mittel auf der mindestens einen Strombahn nahe des mindestens einen
festen Schaltstücks
angebracht. Das auf der mindestens einen Strombahn angebrachte wärmeableitende
Mittel umfasst bevorzugt eine vergrößerte Oberfläche und/oder
mindestens einen Kühlkörper und/oder
mindestens ein, bevorzugt flaches, Wärmerohr.
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Mit
einem Lüfter,
der ausgebildet ist, die wärmeableitenden
Mittel des mindestens einen beweglichen Schaltstücks oder des mindestens einen
festen Schaltstücks
zu kühlen,
kann die Wärmeabfuhr
noch weiter verstärkt
werden.
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Auf
eine besonders effektive Weise kann die Kühlwirkung verbessert werden,
wenn das Überbrückungsteil
ein lichtbogenkammerfreies Schütz
ist. Dadurch kann die Luft ungestört die wärmeableitenden Mittel umströmen und
kühlen.
Insbesondere kann mit einem Lüfter
der Kühlungseffekt
deutlich verstärkt
werden. Hierdurch kann das Sanftstartgerät eventuell mit einem höheren Nennstrom
benutzt werden, als es mit einem entsprechenden Schütz grundsätzlich möglich wäre.
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Durch
ein Sanftstartgerät
zum Steuern des Betriebsstroms eines Elektromotors, mit i) mindestens
einem Stromeingang und einem entsprechenden Stromausgang, ii) mindestens
einem Halbleiterleistungsteil, das ausgebildet ist, Stromfluss zwischen
dem mindestens einem Stromeingang und dem entsprechenden Stromausgang
derart zu steuern, dass ein sanftes Starten eines Elektromotors
ermöglicht
wird, und iii) mindestens einem Überbrückungsteil
nach einem der Ansprüche
1 bis 8, wobei die mindestens eine eingangsseitige Stromschiene zu
einem entsprechenden Stromeingang und die mindestens eine ausgangsseitige
Stromschiene zu einem entsprechenden Stromausgang elektrisch leitend
verbunden sind, und wobei das Sanftstartgerät ausgebildet ist, Betriebsstrom
beim Starten des Elektromotors zuerst über das Halbleiterleistungsteil
und nach Erreichen der Betriebsphase über das Überbrückungsteil zu leiten, ist es
möglich,
ein Sanftstartgerät
mit weniger Verlustleistung zu designieren. Wenn außerdem ein
für niedrigere
Betriebsströme
designiertes Überbrückungsteil
eingesetzt wird, kann die Entwicklung mit weniger Aufwand durchgeführt werden.
Außerdem
kann das Sanftstartgerät
gewichtsmäßig leichter
gemacht werden.
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Mit
einem Schütz,
das ein Überbrückungsteil nach
einem der Ansprüche
1 bis 8 umfasst kann die Verlustleistung kosteneffektiv reduziert
werden.
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Auflistung der Zeichnungen
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Zwei
Ausführungsformen
der Erfindung sind in 3 und 4 der beigefügten Zeichnungen dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 ein
Sanftstartgerät
mit einem Halbleiterleistungsteil und einem entsprechenden Überbrückungsteil;
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2 ein
normales Überbrückungsteil;
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3 ein Überbrückungsteil
mit wärmeableitenden
Mitteln auf den Strombahnen nahe der festen Schaltstücken; und
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4 ein Überbrückungsteil
mit wärmeableitenden
Mitteln zusätzlich
auch auf den beweglichen Schaltstücken.
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Dieselben
Bezugszeichen weisen in allen Zeichnungen auf ähnliche strukturelle Elemente
hin.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt
ein Sanftstartgerät 100 mit
einem Halbleiterleistungsteil 120 und einem Überbrückungsteil 100B,
das in 2 näher
dargestellt ist. Das Halbleiterleitungsteil 120 ist teilweise
mit einer Deckplatte 130 bedeckt worden.
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Das
Sanftstartgerät 100 wird
mit seinen Stromeingängen 101 und
entsprechenden Stromausgängen 102 zwischen
Stromeinspeisung und einem Elektromotor angeschlossen. Es gibt bevorzugt einen
Stromeingang 101 und einen entsprechenden Stromausgang 102 für jede Phase
des Drehstrombetriebes. Das Sanftstartgerät 100 wird beispielsweise über die
Benutzerschnittstelle 110 angesteuert, auch die Fernbedienung über einen
Feldbus oder über eine
drahtlose Verbindung ist möglich.
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Das
Halbleiterleistungsteil 120 wird beim An- und Auslaufen
eines Elektromotors benutzt. In der Betriebsphase wird das Überbrückungsteil 100B benutzt.
Das Überbrückungsteil 100B weist
ein- und ausgangsseitige Stromschiene 115, 125 mit
festen Schaltstücken 250 auf,
die mittels beweglichen Schaltstücken,
z.B. Kontaktbrücken 140, überbrückt werden,
so dass die Stromeingänge 101 leitend
zu den jeweiligen Stromausgängen 102 kontaktiert
werden.
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2 zeigt
ein normales Überbrückungsteil 100B,
das beispielsweise ein modifiziertes Schütz aufweisen kann. Auf dem
Befestigungsteil 210 liegt das Schätzteil 220, das als
Träger
für die
Stromschienen 125 und für
die festen Schaltstücke 250 dient. Die
drei eingangsseitigen Strombahnen 115 und die entsprechenden
drei ausgangsseitigen Strombahnen 125 werden mit zwei festen
Schaltstücken 250 und mit
zwei auf die bewegliche Kontaktbrücke 140 montierten
Schaltstücken
anhand eines Steuersignals elektrisch leitend verbunden oder getrennt.
Das Signal, z.B. eine Gleich- oder Wechselspannung, ist in einer
einfachen Ausführungsform
ausgebildet, die Spule eines elektromagnetischen Antriebes derart
zu aktivieren, das das Joch den Anker anzieht, so dass die Kontakte
schließen.
Wenn das Steuersignal abwesend ist, wird der Anker vom Joch durch
Federkraft abgetrennt, so dass die Kontakte öffnen.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
des Überbrückungsteils 300,
das anstelle des Überbrückungsteils 100B in
einem Sanftstartgerät
eingesetzt werden soll. Zusätzlich
zu der Struktur des Überbrückungsteils 100B sind
auch wärmeableitende
Mittel 301 auf den Strombahnen 115, 125 nahe
der festen Schaltstücke 250 angebracht
worden.
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Wenn
die wärmeableitende
Mittel 301 an den Stromschienen, nahe beim festen Schaltstück 250, angebracht
sind, kann die Wärme
wegen der für
die Stromleitung erforderlichen großen Leiterquerschnitte auch
gut von den Festschaltstücken
hin zu den wärmeableitenden
Mitteln 301 abgeleitet werden.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform des Überbrückungsteils 400,
das anstelle des Überbrückungsteils 100B oder 300 in
einem Sanftstartgerät
eingesetzt werden kann. Zusätzlich
zu den wärmeableitenden
Mitteln 301 sind auch weitere wärmeableitende Mittel 401 auf
den beweglichen Schaltstücken,
etwa auf den Kontaktbrücken 140,
angebracht worden. Da vom beweglichen Schaltstück die Verlustwärme am schlechtesten
abgeführt
wird, ist dieses am heißesten.
Weil die abführbare
Verlustleistung proportional zur Übertemperatur ist, sind die wärmeableitenden
Mittel 401 hier am Effektivsten.
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Bei
beiden Ausführungsvarianten
lässt sich die
Kühlwirkung
noch einmal deutlich erhöhen,
wenn ein Ventilator zur Zwangslüftung
eingesetzt wird.
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Vorteilhaft
für die
Wirkung der wärmeableitenden
Mittel 301, 401 ist deren ungehinderte Umströmung mit
Kühlluft.
Aus diesem Grund eignen sich für Überbrückungsteile 300, 400 insbesondere
für Sanftstarter
angepasste Überbrückungsschütze ohne
Lichtbogenkammer, da die Lichtbogenkammer wärmeableitende Mittel 301, 401 auf
dem beweglichen Schaltstück
verhindert und die Umströmung
der Kühlmaßnahmen
nahe dem festen Schaltstück
behindert.
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Bei
einem Versuchsaufbau, der die Grundlage für ein Seriengerät darstellt,
konnte nur mit Kühlkörpern als
wärmeableitende
Mittel 301 auf den Stromschienen 115, 125 nahe
der festen Schaltstücke 250 und
einem Ventilator die Kühlwirkung
derart verbessert werden, dass der Gerätenennstrom von 970 A auf 1214
A erhöht
werden kann, was einer Stromerhöhung
um 25% entspricht.
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Weitere
wärmeableitende
Mittel 301 können mit
Wärmerohren,
z.B. flachen Heatpipes, realisiert werden. Diese können auf
die Stromschiene 115, 125 nahe dem festen Schaltstück 250 angebracht
werden. Die Wärme
wird mit den Heatpipes effektiv zu einem Kühler geleitet und dort an das
Kühlmedium
abgegeben. Diese Lösung
kann dann vorteilhaft sein, wenn eine ungehinderte Umströmung der
wärmeableitenden
Mittel 301 am festen Schaltstück 250 nicht möglich ist.
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Die
wärmeableitenden
Mittel 301, 401 lassen sich leicht und schnell
realisieren. Dies gilt insbesondere für die wärmeableitenden Mittel 301 auf
der Stromschiene 115, 125 nahe dem festen Schaltstück 250.
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Wenn
das Überbrückungsteil 300, 400 in
einem Sanftstartgerät
eingesetzt wird, ist es vorteilhaft, das größte vorhandene auf Sanftstarteranwendungen
optimierte Überbrückungsteil
mit zusätzlichen Kühlmaßnahmen
zu versehen, die die Stromtragfähigkeit
wesentlich erhöhen.
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Begrenzt
wird der Einsatz eines Überbrückungsteils
durch die maximal zulässigen Übertemperaturen
von beweglichem Schaltstück
und festem Schaltstück.
Die Übertemperaturen
sind proportional zu den Stromwärmeverlusten,
die wiederum proportional zum Stromquadrat sind, d.h. bei einer
Stromzunahme von z.B. 25% erhöhen
sich die Stromwärmeverluste
und damit die Übertemperaturen
um 57%. Durch zusätzliche
Kühlmaßnahmen
können
die Stromwärmeverluste
wesentlich besser abgeführt und
damit die Übertemperaturen
im zulässigen
Bereich gehalten werden. Als Kühlmaßnahmen
kommen z.B. Oberflächen
vergrößernde konstruktive Maßnahmen
in Frage wie die Anbringung von Kühlkörpern auf dem beweglichen Schaltstück und auf den
Strombahnen nahe beim festen Schaltstück.
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Ein
wichtiger und durch die Erfindung erreichbarer Vorteil ist, dass
der Entwicklungsaufwand für
ein entsprechendes Überbrückungsteil
mit einer höheren
Stromtragfähigkeit
entfallen kann.
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Die
Verwendung eines Standardschützes führt zu einem
Sanftstartgerät,
das ein ca. 30% größeres Volumen,
ein ca. 25% höheres
Gewicht und ca. 35% höhere
Kosten hat. Bei Verwendung des Überbrückungsteils
mit zusätzlichen
Kühlmaßnahmen
erhöhen
sich die entsprechenden Werte nur geringfügig um ca. 5%.
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Auch
wenn die oben dargestellten Beispiele vorwiegend im Zusammenhang
eines Sanftstartgeräts
beschrieben worden sind, versteht der Fachmann, dass sich die möglichen
Ausführungsformen der
Erfindung im Rahmen der Patentansprüche variieren lassen. Insbesondere
kann das Überbrückungsteil
im Allgemeinen als Schütz
oder als Überbrückungsteil
in einem Schütz
eingesetzt werden.