DE102020000125A1

DE102020000125A1 - Antriebssystem, aufweisend einen ersten Wandler, eine Steuerung und einen Umrichter zur Speisung eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102020000125A1
Application number: DE102020000125.4A
Authority: DE
Inventors: Hans Jürgen Kollar; Florian Link
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2020-07-23
Also published as: WO2020151912A1; EP3915190A1

Abstract

Antriebssystem, aufweisend einen ersten Wandler, eine Steuerung und einen Umrichter zur Speisung eines Elektromotors,wobei der erste Wandler der Steuerung eine Gleichspannung zur Verfügung stellt,wobei ein zweiter Wandler aus der Gleichspannung gespeist ist und einer erste Signalelektronik des Umrichters eine Gleichspannung zur Verfügung stellt,wobei der zweite Wandler eine galvanische Trennung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, aufweisend einen ersten Wandler, eine Steuerung und einen Umrichter zur Speisung eines Elektromotors.
Es ist allgemein bekannt, dass ein Antriebssystem eine Steuerung aufweist, welche einen Umrichter steuert, der einen Elektromotor speist.
Aus der DE 699 17 517 T2 ist als nächstliegender Stand der Technik eine Textilmaschine mit Einzelspindelantrieb bekannt.
Aus der DE 10 2004 043 186 A1 ist ein Automatisierungskabelsystem bekannt.
Aus der DE 199 21 654 C1 ist ein Kabelsystem bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem weiterzubilden, wobei eine erhöhte Sicherheit erreichbar sein soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Antriebssystem nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Antriebssystem sind, dass das Antriebssystem einen ersten Wandler, eine Steuerung und einen Umrichter zur Speisung eines Elektromotors aufweist,
wobei der erste Wandler der Steuerung eine Gleichspannung zur Verfügung stellt,
wobei ein zweiter Wandler aus der Gleichspannung gespeist ist und einer ersten Signalelektronik des Umrichters eine Gleichspannung zur Verfügung stellt,
wobei der zweite Wandler eine galvanische Trennung aufweist,
insbesondere wobei der Eingangsseite des zweiten Wandlers die vom ersten Wandler bereit gestellte Gleichspannung, insbesondere 24 Volt, zugeführt wird und die galvanisch von der Eingangsseite getrennte Ausgangsseite des zweiten Wandlers der ersten Signalelektronik die Gleichspannung, insbesondere 24 Volt, zur Verfügung stellt.
Von Vorteil ist dabei, dass der zweite Wandler eine die erste Signalelektronik mit einer Gleichspannung galvanisch getrennt versorgt. Somit ist der erste Wandler mit PE verbindbar und über ein langes Kabel mit dem Umrichter verbindbar. Der Umrichter ist separat mit PE verbindbar, ohne dass Ausgleichströme über PE fließen müssen. Somit ist die Sicherheit erhöht, da Ausgleichsströme eine Gefahrenquelle darstellen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Wandler ein AC/DC-Wandler und der zweite Wandler ist ein DC/DC-Wandler. Von Vorteil ist dabei, dass der erste Wandler ein vom Öffentlichen Wechselspannungsversorgungsnetz gespeister Gleichrichter ist und somit einfach ausführbar ist. Zusätzlich weist er eine spannungsstabilisierende Schaltung auf. Der zweite Wandler weist einen Transformator auf und wandelt die eingangsseitig vom ersten Wandler zur Verfügung gestellte Gleichspannung in eine Wechselspannung, welche die Primärseite des Transformators speist. Die Sekundärseite des Transformators speist einen Gleichrichter, so dass der ersten Signalelektronik eine Gleichspannung zur Verfügung stellbar ist, insbesondere vom gleichen Betrag wie die vom ersten Wandler zur Verfügung gestellte Gleichspannung. Vorzugsweise beträgt die Gleichspannung 24 Volt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die vom ersten Wandler dem zweiten Wandler zur Verfügung gestellte Gleichspannung denselben Wert auf wie die vom zweiten Wandler der ersten Signalelektronik zur Verfügung gestellte Gleichspannung. Von Vorteil ist dabei, dass die erste Signalelektronik galvanisch getrennt versorgbar ist. Somit werden Ausgleichsströme über PE vermieden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite Wandler innerhalb des Gehäuses des Umrichters angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die Verbindung des unteren Potentials der vom zweiten Wandler zur Verfügung gestellten Spannung mit PE in einfacher Weise ermöglicht ist und außerdem auch das Gehäuse des Umrichters mit PE verbindbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite Wandler außerhalb des Gehäuses des Umrichters angeordnet,
wobei der zweite Wandler näher zum Umrichter als zum ersten Wandler oder als zur Steuerung angeordnet ist,
insbesondere wobei das untere Potential der vom zweiten Wandler der ersten Signalelektronik zur Verfügung gestellte Gleichspannung mit PE verbunden ist und/oder mit elektrischer Erde verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Verbindung des Umrichters mit PE auch bis zum zweiten Wandler wirksam ist. Denn das untere Potential der vom zweiten Wandler zur Verfügung gestellten Gleichspannung ist im Umrichter mit PE verbindbar. Da der zweite Wandler nahe am Umrichter angeordnet ist, ist diese Verbindung mit dem nullpotential, insbesondere Erdverbindung, auch für den zweiten Wandler wirksam.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das untere Potential der vom ersten Wandler zur Verfügung gestellten Gleichspannung mit PE verbunden und/oder ist mit elektrischer Erde verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass sowohl die vom ersten Wandler zur Verfügung gestellte Spannung als auch die vom zweiten Wandler zur Verfügung gestellte Spannung mit PE verbunden sind, insbesondere also mit dem Nullpotential verbunden sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das untere Potential der vom zweiten Wandler zur Verfügung gestellten Gleichspannung mit PE verbunden und/oder ist elektrisch geerdet. Von Vorteil ist dabei, dass das Gehäuse des Umrichters ebenfalls mit PE verbunden und/oder elektrisch geerdet ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerung mit dem Umrichter zum Datenaustausch über einen Feldbus, insbesondere potentialfrei, verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass die Steuerung zwar von dem ersten Wandler mit einer Spannung versorgbar ist, deren unteres Potential geerdet ist. Da die Steuerung aber Daten und Signale potentialfrei übertragt zum Umrichter, ist dieser unabhängig mit PE verbindbar. Ausgleichsströme über PE werden vermieden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind potentialfrei ausgeführte Eingänge und Ausgänge der Steuerung mit dem Umrichter verbunden zur Signalübertragung. Von Vorteil ist dabei, dass der Umrichter separat von der Steuerung mit ersten Wandler mit PE verbindbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter ein weiteres Schaltnetzteil auf, welches eine zweite Signalelektronik des Umrichters versorgt, welche die Motorführung ausführt,
wobei das weitere Schaltnetzteil die Treiber der Halbleiterschalter des Wechselrichters des Umrichters versorgt, einen Winkelsensor zur Erfassung der Winkellage des Rotors des Elektromotors und/oder einen Lüfter zur Förderung eines entlang der Kühlrippen eines Kühlkörpers zur Entwärmung der Halbleiterschalter strömenden Kühlluftstroms. Von Vorteil ist dabei, dass bei zu geringer Leistung des weiteren Schaltnetzteils zumindest die Kommunikation von dem zweiten Wandler versorgt wird. Nur Lüfter oder Treiber der Halbeliter der Leistungsstufe des Umrichters werden im Fall dieses Leistungsausfall des weiteren Schaltnetzteils abgeschaltet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die das untere Potential der vom ersten Wandler zur Verfügung gestellten Gleichspannung zum Umrichter oder zum ersten Wandler führende Leitung mit PE verbunden und/oder ist mit elektrischer Erde verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass der erste Wandler unabhängig vom Umrichter mit PE verbindbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Gehäuse des Umrichters mit PE verbunden und/oder ist mit elektrischer Erde verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass der Umrichter separat vom ersten Wandler mit PE verbunden ist. Somit sind Ausgleichsströme über PE vermeidbar.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:

In der 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Antriebssystem dargestellt, wobei ein Umrichter 6 einen zweiten Wandler 7 zur Versorgung einer ersten Signalelektronik umfasst.
In der 2 ist ein alternatives erfindungsgemäßes Antriebssystem dargestellt, wobei der Umrichter 6 mit einem separaten zweiten Wandler 7 zur Versorgung der ersten Signalelektronik verbunden ist.

Wie in 1 dargestellt, weist das Antriebssystem einen ersten Wandler 1 auf, der vorzugsweise als AC/DC-Wandler ausgeführt ist. Insbesondere stellt der erste Wandler 1 eine Gleichspannung von 24 Volt einer Steuerung 2 zur Verfügung.
Der erste Wandler 1 ist außerdem geerdet, insbesondere ist also das untere Potential der ausgangsseitig zur Verfügung gestellten Gleichspannung mit PE und/oder elektrisch Erde verbunden. Diese Erdung ist direkt am ersten Wandler 1 ausgeführt. Insbesondere ist die Erdung näher am ersten Wandler 1 angeordnet als an der vom ersten Wandler 1 mit Gleichspannung versorgten Steuerung 2.
Die Steuerung 2 weist Eingänge und Ausgänge 5 auf, mit denen der Umrichter 6 verbunden ist. Außerdem sind die Steuerung 2 und der Umrichter 6 mittels einer Datenaustauschverbindung, insbesondere mittels eines Feldbusses, verbunden, so dass Daten zwischen Steuerung und Umrichter 6 übertragbar sind.
Der Umrichter 6 weist eine erste Signalelektronik auf, welche zumindest für die Kommunikation vorgesehen ist. Dieser ersten Signalelektronik werden die über den Feldbus 4 übertragenen Daten galvanisch getrennt insbesondere über Optokoppler zugeführt. Ebenso werden die von den Ausgängen der Steuerung 2 kommenden beziehungsweise vom Umrichter 6 zu den Eingängen der Steuerung 2 gesendeten Signale ebenfalls galvanisch entkoppelt, insbesondere also im Umrichter 6.
Diese erste Signalelektronik weist einen Mikrocontroller 8 auf.
Die erste Signalelektronik, umfassend Mikrocontroller 8, wird von einem zweiten Wandler 7 mit Gleichspannung, insbesondere mit 24 Volt Gleichspannung, versorgt, wobei die erste Signalelektronik auch ein Schaltnetzteil aufweisen kann, welches vom zweiten Wandler 7 versorgt ist und verschiedene Gleichspannungen der restlichen ersten Signalelektronik zur Verfügung stellt. Das untere Potential der vom zweiten Wandler 7 zur Verfügung gestellten Gleichspannung ist mit PE verbunden, also elektrisch geerdet.
Der zweite Wandler 7 ist im Umrichter 6 angeordnet, also innerhalb des Gehäuses des Umrichters 6.
Das Gehäuse des Umrichters 6 ist ebenfalls geerdet.
Der zweite Wandler 7 wird aus dem ersten Wandler 1 versorgt, indem die vom ersten Wandler 1 der Steuerung 2 zur Verfügung gestellte Gleichspannung auch dem zweiten Wandler 7 zugeleitet wird.
Der zweite Wandler 7 weist eine galvanische Trennung zwischen der vom ersten Wandler 1 gelieferten Gleichspannung und der vom zweiten Wandler 7 ausgangsseitig zur Verfügung gestellten Gleichspannung auf.
Der zweite Wandler 7 ist also als DC/DC-Wandler ausgeführt.
Auf diese Weise ist die erste Signalelektronik separat geerdet. Ein Fließen von Ausgleichsströmen zwischen dem Umrichter 6, insbesondere zwischen dem Gehäuse des Umrichters 6 und dem ersten Wandler 1 über PE ist somit vermieden.
Der Umrichter 6 weist eine zweite Signalelektronik auf, welche die Motorführung ausführt. Hierzu erzeugt die zweite Signalelektronik pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für in Brückenzweigen angeordnete Halbleiterschalter der Leistungsstufe des Umrichters 6.
Die zweite Signalelektronik weist ebenfalls einen Mikrocontroller auf und ist über ein weiteres Schaltnetzteil separat oder zusätzlich versorgt, insbesondere also nicht aus dem zweiten Wandler 7.
Das weitere Schaltnetzteil versorgt auch die Treiber der Ansteuerung der Halbleiterschalter der Leistungsstufe des Umrichters 6 sowie den Winkelsensor zur Erfassung der Winkellage des Rotors des Elektromotors als auch einen Lüfter des Umrichters.
Falls das separate Schaltnetzteil ausfällt oder überlastet ist, werden Funktionen, wie beispielsweise die Motorführung, der Lüfter, der Winkelsensor und/oder die Treiber, abgeschaltet. Somit ist dann immer noch die Kommunikation ausführbar, weil die Versorgung aus dem zweiten Wandler 7 noch zur Verfügung steht.
Optional ist auch eine zusätzliche PE Verbindung 3 Erdung 3 derjenigen Leitung ausführbar, welche das untere Potential der vom ersten Wandler 1 zur Verfügung gestellten Gleichspannung führt. Somit ist zusätzlich zur Erdung des Gehäuses des Umrichters eine weitere Erdung erreichbar.
Die Eingänge und Ausgänge 5 der Steuerung 2 sind potentialfrei ausgeführt. Ebenso ist auch der Feldbus 4 potentialfrei zum Umrichter 6 hinausgeführt, also mittels Optokopplern der ersten Signalelektronik galvanische Trennung erreicht.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die zweite Signalelektronik und die erste Signalelektronik zusammen als einzige Signalelektronik ausgeführt, wobei der erste und der zweite Mikrocontroller ebenfalls nur als ein einziger Mikrocontroller realisiert ist. Hierbei ist Kommunikation und Motorführung von dem einzigen Mikrocontroller auszuführen.
Wie in 2 gezeigt, ist im Unterschied zur 1 der zweite Wandler 21 nicht innerhalb des Gehäuses des Umrichters 6 anordenbar, sondern außerhalb. Optional ist auch eine zusätzliche PE Verbindung 3 derjenigen Leitung ausführbar, welche das untere Potential der vom zweiten Wandler 7 der ersten Signalelektronik zur Verfügung gestellten Gleichspannung führt.
Vorzugswiese ist jedoch in jedem Fall der zweite Wandler 21 näher am Umrichter 6 als der erste Wandler 1 und/oder als die Steuerung 2 angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: erster Wandler
2: Steuerung
3: PE-Verbindung, insbesondere elektrisch Erde
4: Feldbusverbindung
5: potentialfreie Ausgänge und Eingänge
6: Umrichter
7: zweiter Wandler
8: erster Mikrocontroller
21: zweiter Wandler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69917517 T2 [0003]
DE 102004043186 A1 [0004]
DE 19921654 C1 [0005]

Claims

Antriebssystem, aufweisend einen ersten Wandler, eine Steuerung und einen Umrichter zur Speisung eines Elektromotors, wobei der erste Wandler der Steuerung eine Gleichspannung zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wandler aus der Gleichspannung gespeist ist und einer ersten Signalelektronik des Umrichters eine Gleichspannung zur Verfügung stellt, wobei der zweite Wandler eine galvanische Trennung aufweist, insbesondere wobei der Eingangsseite des zweiten Wandlers die vom ersten Wandler bereit gestellte Gleichspannung, insbesondere 24 Volt, zugeführt wird und die galvanisch von der Eingangsseite getrennte Ausgangsseite des zweiten Wandlers der ersten Signalelektronik die Gleichspannung, insbesondere 24 Volt, zur Verfügung stellt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wandler ein AC/DC-Wandler ist und der zweite Wandler ein DC/DC-Wandler ist.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom ersten Wandler dem zweiten Wandler zur Verfügung gestellte Gleichspannung denselben Wert aufweist wie die vom zweiten Wandler der ersten Signalelektronik zur Verfügung gestellte Gleichspannung.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wandler innerhalb des Gehäuses des Umrichters angeordnet ist.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wandler außerhalb des Gehäuses des Umrichters angeordnet ist, wobei der zweite Wandler näher zum Umrichter als zum ersten Wandler oder als zur Steuerung angeordnet ist, insbesondere wobei das untere Potential der vom zweiten Wandler der ersten Signalelektronik zur Verfügung gestellte Gleichspannung mit PE verbunden ist und/oder mit elektrischer Erde verbunden ist.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Potential der vom ersten Wandler zur Verfügung gestellten Gleichspannung mit PE verbunden ist und/oder mit elektrischer Erde verbunden ist.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Potential der vom zweiten Wandler (7, 21) zur Verfügung gestellten Gleichspannung mit PE verbunden ist und/oder elektrisch geerdet ist.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung mit dem Umrichter zum Datenaustausch über einen Feldbus insbesondere potentialfrei, verbunden ist.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Potentialfrei ausgeführte Eingänge und Ausgänge der Steuerung mit dem Umrichter verbunden sind zur Signalübertragung.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter ein weiteres Schaltnetzteil aufweist, welches eine zweite Signalelektronik des Umrichters versorgt, welche die Motorführung ausführt, wobei das weitere Schaltnetzteil die Treiber der Halbleiterschalter des Wechselrichters des Umrichters versorgt, einen Winkelsensor zur Erfassung der Winkellage des Rotors des Elektromotors und/oder einen Lüfter zur Förderung eines entlang der Kühlrippen eines Kühlkörpers zur Entwärmung der Halbleiterschalter strömenden Kühlluftstroms.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das untere Potential der vom ersten Wandler zur Verfügung gestellten Gleichspannung zum Umrichter oder zum ersten Wandler führende Leitung mit PE verbunden ist und/oder mit elektrischer Erde verbunden ist.
Antriebssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Umrichters mit PE verbunden ist und/oder mit elektrischer Erde verbunden ist.