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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Belüften einer in der Vorrichtung eingebauten Leistungselektronik, insbesondere eines elektrischen Wechselrichters, wie beispielsweise eines Gleichspannung/Wechselspannungswandlers.
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Im Stand der Technik sind Antriebssysteme mit einem Weitbereichsspannungseingang bekannt, welche über einen elektrischen Wechselrichter gespeist werden. Der Wechselrichter kann beispielsweise eine Gleichspannung in eine einphasige oder dreiphasige Wechselspannung wandeln. Unter einer Weitbereichsspannung wird im Sinne der nachfolgenden Beschreibung ein Drehstrom (dreiphasige Wechselspannung) ohne Neutralleiter verstanden, der Spannungswerte im Bereich von 380 V bis 500 V mit einem Toleranzbereich von +10/–15% hat.
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Bei einem solchen Antriebssystem erwärmt sich der elektrische Wechselrichter üblicherweise bei seinem Betrieb. Um eine Überhitzung des Wechselrichters zu vermeiden, muss die überschüssige Wärme mittels eines Lüfters abgeführt werden. Hierfür wird in der Regel ein mit Wechselspannung betriebener Lüfter, ein Wechselspannungslüfter, verwendet. Derzeit gibt es jedoch keinen konventionellen Wechselspannungslüfter mit einem Betriebsspannungsbereich, der an dem Weitbereichsspannungseingang betrieben werden kann.
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Gemäß einer Lösung dieses Problems wird bei konventionellen Antriebssystemen für die Versorgung des Wechselspannungslüfters ein Transformator zur Spannungsanpassung eingesetzt. Üblicherweise werden hierbei an dem Transformator mehrere Abgriffe bereitgestellt, so dass ein Anwender des Antriebssystems ein für die jeweilige Netzeingangsspannung erforderliches Übersetzungsverhältnis des Transformators wählen kann. Je nach Eingangsspannung ist das Übersetzungsverhältnis des Transformators zur Versorgung des Lüfters neu zu wählen.
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Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass der Lüfter bei einem falsch gewählten Übersetzungsverhältnis beeinträchtigt und/oder beschädigt werden kann. Zudem ist der bei dieser Lösung auftretende hohe Verdrahtungsaufwand für den Anschluss des Lüfters nachteilig. Darüber hinaus besteht der Nachteil, dass es bei schlechten Netzverhältnissen, wie beispielsweise Netzspannungsschwankungen, zur Beeinträchtigung des Lüfters kommen kann. Noch dazu besteht ein hohes Fehlerrisiko, da beispielsweise ein Hersteller des Antriebssystems bei der Abnahme des Antriebssystems eine andere Netzspannung verwendet, als sie an dem vorgesehenen Einsatzort des Antriebssystems zur Verfügung steht. Außerdem besteht ein nicht vernachlässigbares Fehlerrisiko darin, dass bei einem Geräteaustausch die korrekte Einstellung des Übersetzungsverhältnisses geprüft und bei Bedarf geändert werden muss.
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Bei kleineren Systemen mit geringer Lüfterleistung ist es möglich, die Lüfter direkt mittels einer Steuerspannung von beispielsweise 24 V zu versorgen. Bei Lüftern mit mittlerer und hoher Leistung führt eine derartige Versorgung jedoch zu einem größeren Bedarf an externen Komponenten, wie beispielsweise Netzteil, Verkabelung, usw. Dies kann dazu führen, dass die Voraussetzungen für „begrenzte Spannung – begrenzter Strom” („limited voltage – limited current”) nicht mehr erfüllt sind. Um diese Voraussetzungen dennoch zu erfüllen, steigt der Abnahmeaufwand für das Antriebssystem erheblich an.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Belüften einer in der Vorrichtung eingebauten Leistungselektronik bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Belüften einer in der Vorrichtung eingebauten Leistungselektronik, wie beispielsweise eines Gleichspannung/Wechselspannungswandlers usw., bereitgestellt werden, bei welchen ein Lüfter mit geringerem Aufwand mit elektrischer Energie versorgt werden kann als bisher.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Belüften einer in der Vorrichtung eingebauten Leistungselektronik nach Patentanspruch 8 gelöst.
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Die in den Patentansprüchen beschriebene Vorrichtung und das in den Patentansprüchen beschriebene Verfahren haben den Vorteil, dass die Versorgung des Lüfters mit elektrischer Energie unabhängig von der Eingangsspannung der Vorrichtung ist.
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Außerdem besteht mit der in den Patentansprüchen beschriebenen Vorrichtung und dem in den Patentansprüchen beschriebenen Verfahren der Vorteil, dass keine externe Verdrahtung zum Anschluss des Lüfters notwendig ist.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass eine externe Steuerspannungsversorgung des Antriebssystems einen geringeren Leistungsbedarf aufweist als der Stand der Technik.
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Ferner ist es von Vorteil, dass die Versorgung des Lüfters nur erfolgt, wenn auch die Leistungselektronik, welche der Lüfter belüften soll, über einen Zwischenkreis, insbesondere einen Gleichspannungszwischenkreis, versorgt ist. Damit kann der Energieverbrauch des Lüfters reduziert und optimiert werden.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
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2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Belüften einer in der Vorrichtung eingebauten Leistungselektronik gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung 1 mit einer ersten Leistungselektronik 10, einer zweiten Leistungselektronik 20 und einem Lüfter 30. Die erste Leistungselektronik 10 ist in 1 als Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 dargestellt. Der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 kann auch als elektrischer Wechselrichter oder einfach Wechselrichter bezeichnet werden. Die zweite Leistungselektronik 20 ist in 1 als ein Gleichspannung/Gleichspannungswandler 20 dargestellt. Der Gleichspannung/Gleichspannungswandler 20 kann auch als elektrischer Gleichstromsteller oder einfach Gleichstromsteller bezeichnet werden.
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Nachfolgend wird die weitere Beschreibung anhand des in 1 als Beispiel für die erste Leistungselektronik 10 gezeigten Gleichspannung/Wechselspannungswandlers 10 und anhand des in 1 als Beispiel für die zweite Leistungselektronik 20 gezeigten Gleichspannung/Gleichspannungswandlers 20 vorgenommen, auch wenn die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die erste und zweite Leistungselektronik 10, 20 können auch jeweils eine andere Leistungselektronik als die in 1 gezeigten Spannungswandler sein.
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Der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 hat ein Kühlkörper 11 mit einer nicht dargestellten Lüfterdruckkammer und mehreren Kühlrippen 12, die als Luftleitbleche ausgestaltet sein können. Der Lüfter 30 ist derart angeordnet, dass eine von ihm verursachte Luftströmung 31 durch die Kühlrippen 12 geleitet wird. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 nur die beiden äußeren Kühlrippen 12 mit einem Bezugszeichen versehen.
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Der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 in 1, und somit die Vorrichtung 1, hat zudem einen Weitbereichsspannungsausgang 13, 14, 15 über welchen eine Spannung in dem Bereich von 0 V bis 500 V für ein nicht dargestelltes externes Gerät bereitgestellt wird. Das externe Gerät ist beispielsweise eine Antriebseinrichtung, insbesondere ein Elektromotor usw., mit einem Weitbereichsspannungseingang. Der Weitbereichsspannungsausgang 13, 14, 15 stellt eine Weitbereichsspannung zur Verfügung, die eine dreiphasige Wechselspannung, eine Drehstromwechselspannung, ohne Neutralleiter ist.
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Der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 von 1 wandelt eine Gleichspannung, welche über Verbindungsleitungen 16, 17 an den Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 angelegt wird, eines Zwischenkreises 41, 42 in die dreiphasige Wechselspannung, die Weitbereichsspannung. Der Zwischenkreis 41, 42 ist somit ein Gleichspannungszwischenkreis.
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Der Lüfter 30 wird über eine Versorgungsleitung 21 von dem Gleichspannung/Gleichspannungswandler 20 mit einer Gleichspannung versorgt. Hierzu ist der Gleichspannung/Gleichspannungswandler 20 zudem über zwei weitere Verbindungsleitungen 22, 23 an den Zwischenkreis 41, 42 angeschlossen. Der Lüfter 30 ist ein Gleichspannungslüfter und kann eine Betriebsspannung von beispielsweise 48 V haben. Der Lüfter 30 wird somit mit einem galvanisch getrennten Schaltnetzteil, nämlich dem Gleichspannung/Gleichspannungswandler 20, direkt aus dem Zwischenkreis 41, 42, genauer gesagt dem Gleichspannungszwischenkreis 41, 42, mit elektrischer Energie versorgt. Die Versorgung des Lüfters 30 erfolgt somit über den vorrichtungsinternen Gleichspannung/Gleichspannungswandler 20, der aus dem Zwischenkreis 41, 42 gespeist wird. Der Zwischenkreis 41, 42 stellt dem Lüfter 30 eine geregelte, galvanisch getrennte Versorgungsspannung zur Verfügung.
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Bei einem in 2 dargestellten Verfahren zum Belüften eines Gleichspannung/Wechselspannungswandlers 10 wird demgemäß nach dem Start des Verfahrens zuerst bei einem Schritt S1 elektrische Energie für ein externes Gerät, beispielsweise die nicht dargestellte elektrische Antriebseinrichtung, mittels einer Leistungselektronik 10 bereitgestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist diese Leistungselektronik 10 der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10. Bei einem Schritt S2 wird zudem der Lüfter 30 mit Energie mit Hilfe der Gleichspannung versorgt, an die auch der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 angeschlossen ist. Diese Gleichspannung ist die Gleichspannung des Zwischenkreises 41, 42. Hierbei wird die von dem Zwischenkreis 41, 42 bereitgestellte Gleichspannung mit Hilfe des Gleichspannung/Gleichspannungswandlers 20 in die für den Lüfter 30 geeignete Gleichspannung gewandelt. Anschließend wird bei einem Schritt S3 der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 mit dem Lüfter 30 belüftet, um die Wärme abzuführen, die von dem Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10, der ersten Leistungselektronik 10, erzeugt wird. Danach ist das Verfahren beendet.
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Der Schritt S1 und der Schritt S2 können annähernd gleichzeitig ablaufen, wobei zumeist der Schritt S2 kurz nach dem Schritt S1 ausgeführt wird.
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Dadurch kann die Versorgung des Lüfters 30 nur erfolgen, wenn auch die Leistungselektronik 10, welche der Lüfter 30 belüften soll, über den Zwischenkreis 41, 42 versorgt ist. Damit kann der Energieverbrauch des Lüfters 30 reduziert und optimiert werden.
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Auf diese Weise kann eine Fehlverdrahtung der Vorrichtung 1 ausgeschlossen werden, die zu einem Ausfall des Lüfters 30 und damit einem Abschalten des Gleichspannung/Wechselspannungswandlers 10 aufgrund von Übertemperatur führen kann.
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Bei der Vorrichtung 1 kann der Lüfter 30 ohne großen Verdrahtungsaufwand zum Einsatz kommen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 ein modularer Wechselrichter ist. Ein modularer Wechselrichter ist ein Gleichspannung/Wechselspannungswandler, der keinen Netzspannungseingang hat.
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Zudem kann der Lüfter 30 nicht wegen eines falsch gewählten Übersetzungsverhältnisses eines Transformators beeinträchtigt und/oder beschädigt werden, da der Lüfter 30 nicht über einen Transformator gespeist wird.
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Darüber hinaus ist der Lüfter 30 von den vorherrschenden Netzverhältnissen am Anschluss 13, 14, 15 unabhängig. Dadurch kann es bei schlechten Netzverhältnissen, wie beispielsweise Netzspannungsschwankungen, nicht zur Beeinträchtigung des Lüfters 30 kommen.
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Die Vorrichtung 1 bietet zudem den Vorteil, dass das Fehlerrisiko bei der Inbetriebnahme des Antriebssystems deutlich gegenüber dem Stand der Technik gesenkt ist. Dies liegt zum einen daran, dass es unerheblich ist, wenn bei der Abnahme des Antriebssystems eine andere Netzspannung verwendet wird, als sie an dem vorgesehenen Einsatzort des Antriebssystems zur Verfügung steht. Zum anderen liegt dies daran, dass bei einem Geräteaustausch die korrekte Einstellung des Übersetzungsverhältnisses geprüft und bei Bedarf geändert werden muss.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Leistungselektronik 10 der Vorrichtung 1 kein Gleichspannung/Wechselspannungswandler sondern ein Wechselspannung/Gleichspannungswandler. Ansonsten ist die Vorrichtung 1 bei diesem Ausführungsbeispiel auf die gleiche Weise aufgebaut wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Daher werden nachfolgend nur die Unterschiede dieses Ausführungsbeispiel gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Im Übrigen wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
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Die als Wechselspannung/Gleichspannungswandler ausgeführte Leistungselektronik 10 kann bei diesem Ausführungsbeispiel auch als Versorger bezeichnet werden, da sie die an den Anschlüssen 13, 14, 15 anliegende Spannung in eine Gleichspannung wandeln kann, die über die Verbindungsleitungen 16, 17 und den Zwischenkreis 41, 42 dem gesamten Antriebspaket zur Verfügung gestellt werden kann. Die an den Anschlüssen 13, 14, 15 anliegende Spannung kann beispielsweise Werte in einem Bereich von 380 V bis 500 V in einem Toleranzbereich von +10/–15% haben.
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In diesem Fall kann die nicht dargestellte Antriebseinrichtung an den Anschlüssen 13, 14, 15 angeschlossen sein, wobei die Anschlüsse 13, 14, 15 als Weitspannungseingang der Vorrichtung 1 dienen. Die Energie zur Speisung der Antriebseinrichtung mit Energie kommt beispielsweise aus dem Zwischenkreis 41, 42, der von einem Versorgungsgerät oder einem Energieversorgungsnetz gespeist wird. In diesem Fall würde die Netzspannung für den Lüfter 30 über zusätzliche externe Anschlüsse zugeführt.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Vorrichtung 1 gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel und des Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch da gestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
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Der Weitbereichsspannungsausgang 13, 14, 15 der Leistungselektronik 10, und somit der Vorrichtung 1, kann auch, anstelle an die nicht dargestellte Antriebseinrichtung, an ein Spannungsversorgungsnetz zur Versorgung eines Verbrauchers angeschlossen sein.
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Der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 von 1 kann auch ein Gleichspannung/Wechselspannungswandler sein, welcher eine Gleichspannung in eine einphasige Wechselspannung wandelt. Alternativ kann der Gleichspannung/Wechselspannungswandler 10 von 1 die Gleichspannung auch in einen dreiphasigen Drehstrom mit Neutralleiter wandeln.
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Die Leistungselektronik 10, 20 können neben dem Spannungswandler auch andere Elemente aufweisen, wie beispielsweise mindestens einen Thyristor usw.
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Die Weitbereichsspannung kann auch Spannungswerte in einem Bereich haben, der größere Werte aufweist als der zuvor genannte Bereich von 380 V bis 500 V mit einem Toleranzbereich von +10/–15%. Beispielsweise kann die Weitbereichsspannung auch Spannungswerte in einem Bereich von 525 V bis 690 V mit einem Toleranzbereich von +10/–15% aufweisen. In diesem Fall ist die Vorrichtung auch in 690 V Netzen einsetzbar.
