DE112018005842T5

DE112018005842T5 - Motorsteuerungssystem mit integriertem festkörperschütz und relais und verfahren zu dessen betrieb

Info

Publication number: DE112018005842T5
Application number: DE112018005842.5T
Authority: DE
Inventors: Huaqiang Li; Joseph Paul Uphaus
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2021-01-07
Also published as: CN111433989B; CN111433989A; US11139649B2; US20190199085A1; WO2019129384A1

Abstract

Ein Motorsteuerungssystem schließt eine Motorschaltbaugruppe ein, die einen Leistungswandler, der auf einem Wandlerpfad angeordnet ist, ein erstes Relais, das auf dem Wandlerpfad dem Leistungswandler vorgelagert positioniert ist, ein zweites Relais, das auf einem Umgehungspfad positioniert ist, der parallel zum Wandlerpfad verläuft, und eine Festkörperschalteinheit umfasst, die dem Wandlerpfad und dem Umgehungspfad vorgelagert positioniert ist. Das Motorsteuerungssystem schließt auch ein Steuerungssystem ein, das den Betrieb der Motorschaltbaugruppe steuert, wobei das Steuerungssystem so programmiert ist, dass es die Festkörperschalteinheit entweder in einem leitenden Modus, einem nichtleitenden Modus oder einem Anstiegsmodus betreibt, um den Leistungsfluss durch diese Einheit selektiv zu steuern und zu konditionieren. Das Steuerungssystem ist auch so programmiert, dass es das Schalten des ersten und zweiten Relais zwischen offener und geschlossener Position steuert, um die Leistung selektiv entlang des Wandlerpfads oder des Umgehungspfads zu leiten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich im Allgemeinen auf Motorsteuerungssysteme und im Besonderen auf Motorsteuersysteme mit einem multifunktionalen Festkörperschütz, das mit nachgelagerten Relais integriert ist, um selektiv den Betrieb des Systems in Leistungsumwandlungs- und Umgehungsbetriebsmodi zu ermöglichen.
Eine Art von in der Industrie verbreitet verwendetem System, das eine Leistungsumwandlung durchführt, ist ein Antrieb mit veränderbarer Drehzahl, auch bekannt als Antrieb mit variabler Frequenz (VFD). Ein VFD ist eine industrielle Steuerungsvorrichtung, die einen Betrieb eines angetriebenen Systems, wie etwa eines Wechselstrom-Induktionsmotors (AC-Induktionsmotors), mit veränderbarer Frequenz und veränderbarer Spannung ermöglicht. Im Gebrauch wird ein VFD häufig als Teil eines Motorsteuerungssystems und einer Gesamtsteuer- und Schutzbaugruppe bereitgestellt, die den VFD sowie eine Anordnung von Eingabe/Ausgabe-Sicherungen, Trennern, Leistungsschaltern oder anderen Schutzvorrichtungen, Steuerungen, Filtern, Sensoren und eine Umgehungsbaugruppe einschließt, die einen oder mehrere von einem Umgehungsschütz und einem Sanftstarter einschließt, die alternative Steuerwege oder -mechanismen zum Steuern des angetriebenen Systems bereitstellen.
In der Regel werden der VFD und die zugehörigen Schutz- und Steuerungsvorrichtungen des Motorsteuerungssystems als diskrete Komponenten mit eigenem Gehäuse bereitgestellt, mit der Anordnung der Komponenten innerhalb eines Gehäuses. Die Anordnung der Komponenten ist an einer Halterung in der Umhüllung, wie zum Beispiel einer DIN-Schiene, befestigt, wobei eine Verdrahtung zwischen den Komponenten bereitgestellt ist, um eine elektrische Konnektivität und/oder eine Kommunikation dazwischen bereitzustellen. Wenn sie als Einheit zusammengebaut werden, werden die gesamte Ansammlung von Komponenten und das Gehäuse, das zu ihrer Unterbringung erforderlich ist, ziemlich groß und sperrig, und die Verdrahtungsmenge zwischen den Komponenten wird übermäßig groß und kann die Zugänglichkeit zu den Komponenten behindern.
Insbesondere im Hinblick auf die Umgehungsbaugruppe, die in das Motorsteuerungssystem eingeschlossen ist, ist bekannt, dass eine traditionelle Umgehungsbaugruppe als Lösung für die Systemredundanz im Falle eines VFD-Ausfalls oder anderer Szenarien, wie z. B. wartungsbedürftige VFD, wenn der Motor mit voller Drehzahl direkt von der Versorgungseinrichtung für eine höhere Systemeffizienz läuft usw., bereitgestellt wird. Es ist daher wünschenswert, die Umgehungsbaugruppe bereitzustellen - insbesondere, falls/wenn der VFD in einer kritischen Umgebung und/oder Anwendung installiert ist. Wie vorstehend angegeben und wie im Stand der Technik in 1 dargestellt, wird eine vorhandene Umgehungsbaugruppe 1 in der Regel als eine oder mehrere zusätzliche diskrete Komponenten zu einer VFD-Installation hinzugefügt - wobei in der Regel ein separates Eingangsschütz 2, ein Umgehungsschütz 4, ein SCR-basierter Sanftstarter 6 und ein Ausgangs-/Überlastrelais 8 bereitgestellt werden. Die daraus resultierende kombinierte Installation - einschließlich des separaten Eingangsschützes 2, des Umgehungsschützes 4, des Sanftstarters 6 und des Ausgangs-/Überlastrelais 8 - ist jedoch teuer, kompliziert, sperrig und in vielen Anwendungen und/oder Installationsorten häufig unpraktisch.
Es wäre daher wünschenswert, ein Motorsteuerungssystem bereitzustellen, dessen Platzbedarf minimiert ist und das weniger oder keine Verdrahtung zwischen seinen Komponenten erfordert. Ferner wäre es wünschenswert, dass ein solches Motorsteuerungssystem Umgehungsfähigkeiten mit nur der minimal notwendigen Anzahl diskreter Komponenten bereitstellt, um Größe, Kosten und Komplexität des Motorsteuerungssystems zu reduzieren und erhöhte Funktionalitäten und Flexibilität bereitzustellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Motorsteuerungssystem zum selektiven Steuern der Leistung von einer Leistungsquelle zu einer Last bereitgestellt. Das Motorsteuerungssystem schließt eine Motorschaltbaugruppe ein, die einen Leistungswandler umfasst, der auf einem Wandlerpfad positioniert und konfiguriert ist, um Leistung von der Leistungsquelle zu empfangen und eine gesteuerte Ausgangsleistung an die Last, ein erstes Relais, das auf dem Wandlerpfad dem Leistungswandler vorgelagert positioniert ist, ein zweites Relais, das auf einem Umgehungspfad positioniert ist, der parallel zum Wandlerpfad verläuft, und eine Festkörperschalteinheit, die dem Wandlerpfads und dem Umgehungspfads vorgelagert positioniert ist, bereitzustellen, wobei die Festkörperschalteinheit eine Vielzahl von Festkörperschaltern umfasst. Das Motorsteuerungssystem schließt auch ein Steuerungssystem ein, das den Betrieb der Motorschaltbaugruppe steuert. Das Steuerungssystem ist so programmiert, dass es das Schalten der Vielzahl von Festkörperschaltern steuert, um die Festkörperschalteinheit entweder in einem leitenden Modus, einem nichtleitenden Modus oder einem Anstiegsmodus zu betreiben, um so den Leistungsfluss durch diese Einheit selektiv zu steuern und zu konditionieren. Das Steuerungssystem ist auch so programmiert, dass es das Schalten des ersten und zweiten Relais zwischen offener und geschlossener Position steuert, um die Leistung selektiv entlang des Wandlerpfads oder des Umgehungspfads zu leiten.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein steuerungsimplementiertes Verfahren zum Betrieb einer Motorschaltbaugruppe zur Steuerung der Leistungsabgabe von einer Leistungsquelle an eine Last bereitgestellt. Das Verfahren schließt die Steuerung der Motorschaltbaugruppe ein, so dass sie entweder in einem Leistungskonditionierungsmodus oder einem Umgehungsmodus betrieben wird. Bei der Steuerung der Motorschaltbaugruppe zum Betreiben in dem Leistungskonditionierungsmodus schließt das Verfahren ferner das Betreiben einer Festkörperschalteinheit der Motorschaltbaugruppe in einem leitenden Modus, das Betreiben eines Eingangsrelais der Motorschaltbaugruppe in einer geschlossenen Position und das Betreiben eines Umgehungsrelais der Motorschaltbaugruppe in einer offenen Position ein, so dass Leistung von der Leistungsquelle durch den Leistungswandler geleitet wird, wobei die Festkörperschalteinheit dem Leistungswandler vorgelagert positioniert ist und einem Knoten vorgelagert ist, mit dem das Eingangsrelais und das Umgehungsrelais parallel verbunden ist. Bei der Steuerung der Motorschaltbaugruppe zum Betreiben im Umgehungsmodus schließt das Verfahren ferner das Betreiben der Festkörperschalteinheit in einem leitenden Modus, das Betreiben des Eingangsrelais in einer offenen Position und das Betreiben des Umgehungsrelais in einer geschlossenen Position ein, so dass Leistung von der Leistungsquelle den Leistungswandler umgeht.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene zum Steuern der Leistung von einer Leistungsquelle zu einer Last bereitgestellt. Die Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene schließt eine Leiterplattenstruktur (PCB-Struktur) und eine Vielzahl von Schutz- und Steuerungskomponenten ein, die in die PCB-Struktur integriert sind. Die Vielzahl von Schutz- und Steuerungskomponenten schließt einen multifunktionalen Festkörperschalter mit einer Vielzahl von Festkörperschaltern, die selektiv schaltbar sind, um den Leistungsfluss durch den multifunktionalen Festkörperschalter zu steuern und zu konditionieren, sowie eine VFD-Einheit, die dem multifunktionalen Festkörperschalter nachgelagert und so betreibbar ist, dass sie der Last eine gesteuerte Ausgangsleistung bereitstellt, ein Eingangsrelais, das zwischen dem multifunktionalen Festkörperschütz und der VFD-Einheit positioniert und schaltbar ist, um den Leistungsfluss in die VFD-Einheit zu steuern, und ein Umgehungsrelais, das zwischen dem multifunktionalen Festkörperschütz und der VFD-Einheit positioniert und parallel zum Eingangsrelais geschaltet ist, wobei das Umgehungsrelais schaltbar ist, um den Leistungsfluss auf einen Umgehungspfad zu steuern, der den Leistungsfluss um die VFD-Einheit herumleitet, ein.
Aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen werden verschiedene weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ersichtlich.
Figurenliste
Die Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen, die derzeit für die Durchführung der Erfindung in Betracht gezogen werden.
In den Zeichnungen:

ist 1 ein Blockdiagramm eines Motorsteuerungssystems mit einer darin eingeschlossenen Umgehungsbaugruppe, wie sie nach dem Stand der Technik bekannt ist.
ist 2 ein Blockdiagramm eines Motorsteuerungssystems mit einer Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene mit einem integrierten Festkörperschütz und Relais, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
sind 3A und 3B perspektivische Ansichten der Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene von 2 gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung.
ist 4 ein schematisches Diagramm der Motorschaltbaugruppe von 2 und 3A und 3B, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
ist 5 ein Flussdiagramm, das eine Technik für den Übergang einer Motorschaltbaugruppe von einem Leistungsumwandlungsbetriebsmodus in einen Umgehungsbetriebsmodus veranschaulicht, gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung.
ist 6 ein Flussdiagramm, das eine Technik für den Übergang einer Motorschaltbaugruppe von einem Umgehungsbetriebsmodus zu einem Leistungsumwandlungsbetriebsmodus veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf Motorsteuerungssysteme mit einem integrierten Festkörperschütz und Relais sowie auf ein Verfahren zu deren Betrieb. Das Festkörperschütz ist in das Motorsteuerungssystem integriert, um diese zu schützen und den Übergang zwischen den Betriebsmodi zu ermöglichen, wobei das Festkörperschütz eine Multifunktionalität für die Leistungsaufnahme in einen Leistungswandler und eine Umgehung des Leistungswandlers bietet. Das integrierte Festkörperschütz ersetzt eine Reihe von diskreten Schutz- und Steuerungskomponenten, die in der Regel in Motorsteuerungssystemen zu finden sind, und stellt fortschrittlichere Steuerungen im Motorsteuerungssystem bereit, einschließlich Leistungsflusssteuerung und -schutz.
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung nachstehend als auf ein Motorsteuerungssystem mit einem Festkörperschütz und darin integrierten Relais gerichtet beschrieben und veranschaulicht sind, versteht es sich, dass Ausführungsformen der Erfindung nicht auf solche Schaltungen beschränkt sein sollen. Das heißt, Ausführungsformen der Erfindung können allgemeiner auf Leistungs-/Energieumwandlungsschaltungen unterschiedlicher Bauweisen und Implementierungen ausgedehnt werden, einschließlich zum Beispiel Motorstarter, Motorsteuerzentren und Leistungs-/Energieumwandlungsschaltungen zum Ansteuern von Nicht-Motor-Lasten. Dementsprechend soll die folgende Diskussion über die Integration eines Halbleiterschützes und Relais in ein Motorsteuerungssystem den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
Unter Bezugnahme auf 2 und die 3A und 3B werden Blockschema und perspektivische Ansichten eines Leistungssystems 10 gezeigt. Das Leistungssystem 10 schließt eine Leistungsquelle 12, wie zum Beispiel von einer Versorgungseinrichtung, ein, die mit einem Trennschütz oder -schalter 14 gekoppelt ist, das/der in einer geschlossenen oder EIN-Position, in der Leistung von der Versorgungseinrichtung 12 hindurchfließen kann, und einer offenen oder Aus-Position, in der Leistung nicht hindurchfließen kann, betrieben werden kann. Das Leistungssystem 10 schließt auch eine Eingangssicherung 16 ein, die mit dem Trennschalter 14 gekoppelt ist. Die Eingangssicherung 16 stellt einen Überstromschutz bereit, indem sie den Strom von der Versorgungseinrichtung 12 unterbricht, wenn der Strompegel zu hoch wird. Die Eingangssicherung 16 ist mit einem Motorsteuerungssystem 18 gekoppelt, das dann mit einem optionalen Ausgangsfilter 20 gekoppelt wird, das dazu beiträgt, einen Motor 22 (oder eine andere Last) vor den schädlichen Wirkungen reflektierter Wellen aufgrund einer Impedanzfehlanpassung zu schützen und einen Motorausfall aufgrund eines Isolationsfehlers, einer Überhitzung und von Rauschen zu verhindern.
Das Motorsteuerungssystem 18 des Leistungssystems 10 schließt eine Motorschaltbaugruppe oder -modul 24 und ein Steuerungssystem oder eine Steuerung 26, das/die Steuersignale an verschiedene Komponenten der Motorschaltbaugruppe 24 bereitstellt (und optional die Position des Trennschalters 14 steuern kann), ein. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsfonn wird die Motorschaltbaugruppe 24 als Schaltung auf Leiterplattenebene bereitgestellt, wobei die Baugruppe eine Vielzahl von Schutz- und Steuerungskomponenten/- vorrichtungen einschließt, die auf einer Leiterplattenstruktur (PCB-Struktur) 28 montiert oder direkt auf dieser ausgebildet sind. In der veranschaulichten Ausführungsfonn sind die Eingangssicherung 16 und der optionale Ausgangsfilter 20 auch mit der Leiterplatte 28 gekoppelt, um ein kompaktes System zu schaffen, das in einem kompakten Kunststoffgehäuse untergebracht werden kann (nicht gezeigt). Die PCB 28 kann eine Standard- oder kundenspezifische Konstruktion sein und schließt ein isolierendes Substrat 29 mit einer Vielzahl von darauf ausgebildeten Leiterbahnen oder Leitungen 31 ein, die elektrische Verbindungspfade auf dem Substrat 29 zwischen Komponenten bereitstellen. Die Vielzahl der in der Motorschaltbaugruppe 24 eingeschlossenen Komponenten, die an der Leiterplatte 28 montiert oder auf dieser ausgebildet sind, sorgen für die Steuerung und den Schutz des Motors 22 und können ohne Einschränkung einen Leistungswandler 30, eine multifunktionale Festkörpereingangs-/Umgehungsschalteinheit 32 (im Folgenden „Festkörperschütz“) sowie Eingangs-, Ausgangs- und Umgehungsrelais 34, 36, 38 einschließen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform hat der Leistungswandler 30 die Form einer VFD-Einheit - und daher wird der Leistungswandler 30 im Folgenden als VFD-Einheit 30 bezeichnet. Der Betrieb der VFD-Einheit 30 (zusammen mit anderen Komponenten des Motorsteuerungssystems 18) ermöglicht den Antrieb und die Einstellung der Betriebsdrehzahl des Motors 22, der zum Antrieb von Ventilatoren, Förderern, Pumpen oder anderen elektromechanischen Vorrichtungen verwendet werden kann.
Wie in den 3A und 3B gezeigt, sind die Komponenten 30 bis 38 der Motorschaltbaugruppe 24 direkt auf der Leiterplatte 28 montiert. Die Montage der Komponenten auf Leiterplattenebene 30 bis 38 auf der PCB 28 kann durch eine Reihe von geeigneten Mitteln erreicht werden, einschließlich Plug-and-Play-Komponenten, die auf die PCB 28 aufschnappen und/oder Komponenten, die dauerhaft auf die PCB 28 gelötet werden. Die Komponenten 30 bis 38 können elektrisch auf der Leiterplatte 28 über Kontaktpads auf der Leiterplatte 28 verbunden werden, die mit den entsprechenden Pads auf den jeweiligen Komponenten zusammenpassen oder mit diesen verlötet werden, und elektrische Verbindungen und Kommunikationen zwischen den Komponenten 30 bis 38 (und der Steuerung 26) können über die auf dem Substrat der Leiterplatte 28 ausgebildeten Leiterbahnen 31 bereitgestellt werden. Die Montage der Komponenten 30 bis 38 direkt auf die PCB 28 und die Verwendung der elektrischen Leiterbahnen 31 zur Bildung von Verbindungen zwischen Komponenten resultieren in einer Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene 24 mit weniger Anschlussverbindungen und Kabeln, so dass Spannungsverluste in der Motorschaltbaugruppe 24 reduziert werden und der Wirkungsgrad der Baugruppe verbessert wird. In alternativen Ausführungsformen kann die Motorschaltbaugruppe 24 mit mehreren Leiterplattensubstraten bereitgestellt werden, auf denen jeweils eine ausgewählte Teilmenge von Komponenten 30 bis 38 montiert ist.
Im Hinblick auf das Festkörperschütz 32 und die Relais 34, 36, 38 können diese Komponenten selektiv gesteuert werden, um die Motorschaltbaugruppe 24 in einem so genannten VFD-Modus (d. h. Leistungsumwandlungsmodus) oder einem Umgehungsbetriebsmodus (und einem Übergangsmodus beim Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi) zu betreiben. Der Motor 22 wird in dem VFD-Betriebsmodus über die VFD-Einheit 30 entlang eines Wandlerpfads oder einer Leiterbahn 39 mit Leistung versorgt, und der Motor 22 wird im Umgehungsbetriebsmodus über einen Umgehungspfad oder eine Leiterbahn 40 (bei getrennter VFD-Einheit 30) mit Leistung versorgt. Im Fall eines Inverterfehlers, eines Übertemperaturfehlers oder eines anderen Fehlers in der VFD-Einheit 30 kann der Motorbetrieb automatisch auf den Umgehungspfad 40 übertragen werden, um den Betrieb des Motors 22 fortzusetzen, die Antriebslebensdauer aufrechtzuerhalten und andere Vorteile umzusetzen. Nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ersetzen das Festkörperschütz 32 und die Relais 34, 36, 38 eine bekannte Umgehungsbaugruppenkonfiguration, die in der Regel separate/diskrete Eingangsschütze, Ausgangsschütze, Umgehungsschütze und SCR-basierte Sanftstarterkomponenten einschließt. Wie im Folgenden näher erläutert wird, können das Festkörperschütz 32 und die Relais 34, 36, 38 selektiv betrieben werden, um einen Eingang für die VFD-Einheit 30 oder eine Umgehung um die VFD-Einheit 30 bereitzustellen und die Strom- und Spannungspegel beim Umschalten zwischen den Betriebsmodi VFD und Umgehung zu steuern.
Unter Bezugnahme auf 4 wird eine beispielhafte Struktur/Konfiguration der Motorschaltbaugruppe 24 gezeigt - einschließlich der Struktur/Konfiguration der VFD-Einheit 30, des Festkörperschützes 32 und der Relais 34, 36, 38. Im Hinblick auf die VFD-Einheit 30 wird anerkannt, dass die VFD-Einheit 30 von bekannter Bauweise sein kann, die allgemein einschließen kann: eine Gleichrichterbrücke 42, die eine AC-Versorgungsleistung in eine DC-Leistung umwandelt, eine DC-Verbindung 44, die die DC-Leistung von der Gleichrichterbrücke empfängt, eine DC-Verbindungs-Kondensatorbank 46 über der DC-Verbindung und optionale Spulen 48, die in Reihe mit und auf jeder Seite der Gleichrichterbrücke 42 an der DC-Verbindung 44 gekoppelt sind (d. h. eine DC-Drossel). Die VFD-Einheit 30 kann auch einen Inverter 50 einschließen, um die DC-Leistung in eine AC-Leistung umzuwandeln - wobei der Inverter 50 aus einer Vielzahl von Festkörperschaltern 52 (z. B. IGBTs) besteht, die selektiv gesteuert werden können, um eine gewünschte Dreiphasen-Dreileitungs-Leistung von der VFD-Einheit 30 und an den Motor 22 auszugeben. Die durch die VFD-Einheit 30 ausgegebene Dreiphasenleistung wird durch die Steuerung 26 über die Übertragung von Gate-Ansteuersignalen an die Inverterschalter 52 geregelt/gesteuert, um ein Öffnen und Schließen derselben zu steuern, wodurch der an den Motor 22 angelegte Stromfluss (und damit die Spannung) gesteuert wird.
In Bezug auf das Festkörperschütz 32 schließt die Vorrichtung eine Schaltvorrichtung 54 auf jeder Versorgungsleitung des dreiphasigen Eingangs ein. In einer beispielhaften Ausführung besteht jede Schaltvorrichtung aus einem Paar antiparalleler Schalter 56, wie z. B. Festkörperschalter in Form von siliziumgesteuerten Gleichrichtern (SCRs) oder Thyristoren, die den Stromfluss durch die Schaltvorrichtung steuern - im Folgenden als SCRs 56 bezeichnet. Wie gezeigt, haben die SCRs 56 auf jeder Phase entgegengesetzte Polarität und sind für einen jeweiligen Leitungsleiter 58 parallel geschaltet. Es wird zwar gezeigt, dass jede Phase ein Paar SCRs 56 einschließt, es wird jedoch anerkannt, dass stattdessen auch andere geeignete Festkörperschalter eingesetzt werden könnten - einschließlich bipolarer Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), bipolarer Sperrschichttransistoren (BJTs), integrierter gate-kommutierter Thyristoren (IGCTs), Gate-Abschaltthyristoren (GTO-Thyristoren) oder Metalloxid-Festkörper-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) als nicht einschränkende Beispiele. Da das Schütz 32 im Gegensatz zu einem herkömmlichen elektromechanischen Schütz aus Festkörpervorrichtungen 56 besteht, kann jede Festkörpervorrichtung 56 des Schützes 32 von der Steuerung 26 gesteuert werden, um die Höhe der Leitungsspannung und des Stroms in der Motorschaltbaugruppe 24 zu regulieren. Mit anderen Worten, die Steuerung 26 kann das Schütz 32 so steuern, dass es den Stromfluss durch das Schütz selektiv leitet und blockiert. Diese Steuerung der Leitungsspannung und des Leitungsstroms ermöglicht es, die Steuerung 26 mit der Spannung und dem Strom der Versorgungseinrichtung 12 zu versorgen, im Gegensatz zu einer eigenständigen Stromversorgung, die möglicherweise notwendig gewesen wäre, um die Steuerung 26 mit einer stabileren Leistungsquelle zu versorgen. SCRs 56 ermöglichen es der Steuerung 26 ferner, das Festkörperschütz 32 als Überlastrelais zu steuern, und zwar auf der Grundlage von Überspannungs- und/oder Überstrombedingungen im Leistungssystem 10 (2), die von verschiedenen Sensoren gemessen werden (nicht gezeigt). Zusätzlich kann die Konfiguration des Schützes 32 es der Steuerung 26 ermöglichen, das Schütz 32 als Sanftstarter zu steuern.
Die Relais auf Leiterplattenebene 34, 36, 38 der Motorschaltbaugruppe 24 können separat als Eingangsrelais 34, Ausgangsrelais 36 und Umgehungsrelais 38 identifiziert werden. - Relais 34, 36, 38 können selektiv geöffnet und geschlossen werden, um zu bewirken, dass die Motorschaltbaugruppe 24 entweder im VFD-Modus oder im Umgehungsbetriebsmodus betrieben wird, um dadurch den Stromfluss durch die Motorschaltbaugruppe 24 zu steuern. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können die Relais 34, 36, 38 als elektromechanische oder Festkörperrelais bereitgestellt werden, wie z. B. IGBTs oder MOSFETs, deren Nennleistung kleiner als eine volle Motorspannung und kleiner als Einschaltstromnennleistungen ist. Das heißt, da das Festkörperschütz 32, das den Relais 34, 36, 38 vorgelagert ist, die Funktion hat, den Stromfluss dadurch selektiv zu leiten und zu blockieren, können die Relais 34, 36, 38 unter reduzierten Spannungs- und Strombeanspruchungspegel geschaltet werden - d. h. sie können im Nulllastzustand geschaltet werden. Dementsprechend kann der Nennwert der Relais 34, 36, 38 im Vergleich zu „traditionellen“ Motor- und Einschaltstromnennleistungen von Relais/Schützen mit Einschaltstromnennleistungen, die in einer Standard-Umgehungsbaugruppe einer Motorsteuerungsvorrichtung zu finden sind und die jeweils eine volle Motorspannung und höhere Einschaltstromnennleistungen (d. h. einen Nennwert von mehreren Motornennströmen) aufweisen müssen, niedriger sein als die vollen Motorspannungs- und Einschaltstromnennleistungen.
Bei der Steuerung des Betriebs der Motorschaltbaugruppe 24 steuert die Steuerung 26 die SCRs 56 im Festkörperschütz 32 über die Übertragung von Gate-Treibersignalen an diesen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist das Festkörperschütz 32 in einer Reihe von verschiedenen Betriebsmodi betreibbar - einschließlich eines „leitenden“ oder „Eingangs“-Betriebsmodus, eines „nichtleitenden“ oder „Übergangs“-Betriebsmodus und eines selektiv gesteuerten „Anfahr“- oder „Anstiegs“-Betriebsmodus, die nachstehend näher erläutert werden. Die Steuerung 26 in der Motorschaltbaugruppe 24 steuert auch die Schaltung jedes der Relais 34, 36, 38 zwischen einem Ein-/geschlossenen Zustand oder einer Ein-/geschlossenen Position und einem Aus-/offenen Zustand oder einer Ein-/geschlossenen Position, so dass der Strom durch die VFD-Einheit 30 und die Ausgabe von der VFD-Einheit 30 selektiv gesteuert werden kann. Genauer stellen das Eingangsrelais 34 und das Ausgangsrelais 36 einen Stromfluss durch die VFD-Einheit 30 bereit, wenn sie sich in einer Ein-/geschlossenen Position befinden, und lassen keinen Stromfluss durch die VFD-Einheit 30 zu, wenn sie sich in einer Aus-/offenen Position befinden (stattdessen wird die VFD-Einheit 30 von dem Festkörperschütz 32 und dem Motor 22 elektrisch isoliert), während das Umgehungsrelais 38 den Stromfluss durch den Umgehungspfad 40 bereitstellt, wenn es sich in einer Ein-/geschlossenen Position befindet, und den Strom vom Umgehungspfad 40 ableitet, wenn es sich in einer Aus-/offenen Position befindet. Das Umgehungsrelais 38 wird so gesteuert, dass es sich in der Aus-/offenen Position befindet, wenn sich die Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 in der Ein-/geschlossenen Position befinden (wobei dies der VFD-Betriebsmodus der Motorschaltbaugruppe 24 ist). Das Umgehungsrelais 38 wird so gesteuert, dass es sich in der Ein-/geschlossenen Position befindet, wenn sich die Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 in der Aus-/offenen Position befinden (wobei dies der Umgehungsbetriebsmodus der Motorschaltbaugruppe 24 ist).
Wie in 4 zu sehen ist, befindet sich das Festkörperschütz 32 einem Knoten 60 vorgelagert, mit dem das Eingangsrelais 34 und das Umgehungsrelais 38 verbunden sind und an dem die Eingangsleistung je nach Steuerung des Eingangsrelais 34 und des Umgehungsrelais 38 entweder auf den Umgehungspfad 40 oder den Wandlerpfad 39 geleitet wird. Die Positionierung des Festkörperschützes 32 an einer dem Knoten 60 und den Eingangs- und Umgehungsrelais 34, 38 vorgelagerten Stelle ermöglicht es, dass das Festkörperschütz 32 mehrere diskrete Komponenten in einer üblichen UmgehungsBaugruppenkonfiguration ersetzt (d. h. separate/diskrete Eingangsschütze, Ausgangsschütze, Umgehungsschütze und SCR-basierte Sanftstarterkomponenten). Noch ferner ermöglicht die Positionierung des Festkörperschützes 32 an einer dem Knoten 60 und den Eingangs- und Umgehungsrelais 34, 38 vorgelagerten Stelle das Schalten der Eingangs- und Umgehungsrelais 34, 38 im Nulllastzustand, da die SCRs 56 für einen Zeitraum, in dem die Relais geschaltet sind, in einen Aus-/nichtleitenden Zustand geschaltet werden können. Dementsprechend können die Eingangs- und Umgehungsrelais 34, 38 in Form von Relais mit niedrigerer Nennspannung ausgeführt sein, deren Nennspannung kleiner ist als die volle Motorspannung des Motors 22.
Unter Bezugnahme auf die 5 und 6 und unter weiterer Bezugnahme auf die 1 bis 3 werden Verfahren für den Übergang zwischen den verschiedenen Betriebsmodi der Motorschaltbaugruppe 24 gemäß Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. 5 veranschaulicht ein Verfahren für den Übergang von dem VFD-Betriebsmodus zum Umgehungsbetriebsmodus. 6 veranschaulicht ein Verfahren für den Übergang von dem Umgehungsbetriebsmodus in den VFD-Betriebsmodus.
Zuerst unter Bezugnahme auf 5: Ein Verfahren 62 für den Übergang von dem VFD-Betriebsmodus in den Umgehungsbetriebsmodus beginnt in SCHRITT 64, wobei sich das Leistungssystem 10 in einem Zustand ohne Energieversorgung befindet, da sich die Systemtrennung in einem Aus-Zustand befindet. Das heißt, der Stromfluss von einer Wechselstromquelle 12 zum Motorsteuerungssystem 18 wird durch die Systemtrennung 14 unterbrochen, da sich das System im Aus-Zustand befindet. In SCHRITT 66 wird die Systemfreischaltung 14 eingeschaltet, so dass Leistung zum Motorsteuerungssystem 18 (und zur Motorschaltbaugruppe 24) fließt und das System mit Energie versorgt wird. In dieser Anfangsphase, wobei sich die Motorschaltbaugruppe 24 in dem Betriebsmodus VFD befindet, ist das Festkörperschütz 32 in SCHRITT 66 in einem Ein-Zustand (d. h. leitender Modus) - wobei die Steuerung 26 bewirkt, dass die SCRs 56 in einem leitenden Zustand sind. Wie in der Technik bekannt, können die SCRs 56 in einen leitenden Zustand gebracht werden, indem entweder die Spannung an der Anode zur Kathode über die Durchbruchspannung hinaus erhöht wird oder indem ein positiver Impuls am Gate der SCRs 56 angelegt wird. Auch in SCHRITT 66 und während des VFD-Betriebsmodus werden das Eingangsrelais 34 und das Ausgangsrelais 36 von der Steuerung 26 veranlasst, im Ein-/geschlossenen Zustand zu sein, während das Umgehungsrelais 38 von der Steuerung 26 dazu veranlasst wird, im Aus-/offenen Zustand zu sein.
In SCHRITT 68 bestimmt die Steuerung 26, ob die Motorschaltbaugruppe 24 in einen Umgehungsbetriebsmodus übergehen soll. Gemäß Ausführungsfonnen der Erfindung kann die Steuerung 26 basierend auf einer Reihe von Eingaben und/oder Kriterien bestimmen, ob sie in den Umgehungsbetriebsmodus übergeht (oder in dem VFD-Betriebsmodus bleibt). In einer Ausführungsfonn kann die Steuerung 26 bestimmen, ob sie in den Umgehungsbetriebsmodus übergeht, wenn sie erfasst, dass die VFD-Einheit 30 einen Fehlerzustand hat oder anderweitig nicht ordnungsgemäß funktioniert oder dass der Motor 22 mit einer konstanten/vollen Drehzahl läuft, so dass ein VFD-Betrieb nicht erforderlich ist. Das heißt, die Steuerung 26 kann einen oder mehrere Spannungs- und/oder Stromwerte, die an der VFD-Einheit 30 gemessen werden (wie sie z. B. von Spannungs- und/oder Stromsensoren oder Abtastschaltungen 70 (2) gemessen werden), mit einem oder mehreren vordefinierten Schwellenwerten vergleichen, um einen Kurzschluss oder einen anderen Fehlerzustand in der VFD-Einheit 30 abzutasten. Zum Beispiel können eine oder mehrere Spannungs- oder Stromprobenahme- oder -abtastschaltungen oder -sensoren 70 Spannung und/oder Strom an einer oder mehreren Stellen in der VFD-Einheit 30 messen oder bestimmen, einschließlich des Stroms auf der Schalterebene des Gleichrichters 42 oder Wechselrichters 50, des Stroms auf dem Gleichstrom 44 und/oder der Ausgangsströme oder -spannungen von der VFD-Einheit 30. Als ein Beispiel vergleicht die Steuerung 26 die DC-Verbindungsspannung mit einem vordefinierten „Überspannungszustand“, um zu bestimmen, ob die VFD-Einheit 30 eine Fehlfunktion aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerung 26 basierend auf einer oder mehreren Eingaben eines Bedieners, der angibt, dass der Motor 22 in einem stabilen Zustand, z. B. bei voller Drehzahl, betrieben werden soll, der keine Leistungskonditionierung durch die VFD-Einheit 30 erfordert, bestimmen, ob in den Umgehungsbetriebsmodus übergegangen werden soll, so dass eine Umgehung desselben vorteilhaft eingesetzt werden könnte (z. B. zur Reduzierung der mit dem VFD-Betrieb verbundenen Schaltverluste).
Wenn die Steuerung 26 in SCHRITT 68 bestimmt, dass der Übergang von dem VFD-Modus in den Umgehungsmodus nicht erforderlich oder gewünscht ist, wie bei 72 angegeben, dann wird das Verfahren auf SCHRITT 66 zurückgeschaltet. Dabei betreibt die Steuerung 26 die Motorschaltbaugruppe 24 weiterhin in dem VFD-Modus - wobei die SCRs 56 im Ein-/leitenden Zustand und die Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 im Ein-/geschlossenen Zustand und Umgehungsrelais 38 im Aus-/offenen Zustand betrieben werden. Wenn umgekehrt die Steuerung 26 in SCHRITT 68 bestimmt, dass ein Übergang von dem VFD-Modus in den Umgehungsmodus erforderlich oder erwünscht ist, wie bei 74 angegeben, dann wird das Verfahren mit SCHRITT 76 fortgesetzt, wo ein solcher Übergang durchgeführt wird. Beim Übergang von dem VFD-Modus in den Umgehungsmodus veranlasst die Steuerung 26 zunächst die SCRs 56 im Festkörperschütz 32, in den Aus-/nichtleitenden Zustand zu schalten, wobei sowohl die Motorschaltbaugruppe 24 als auch ihr Festkörperschütz 32 in ihrem Übergangsbetriebsmodus betrieben werden. Dieses Umschalten der SCRs 56 in den Aus-/nichtleitenden Zustand kann von der Steuerung 26 auf bekannte Weise durchgeführt werden, z. B. durch Ausschalten des Gates und anschließendes kurzzeitiges Kurzschließen von Anode und Kathode, z. B. mit einem Druckknopfschalter oder Transistor über der Verbindungsstelle. Wenn die SCRs 56 in den Aus-/nichtleitenden Zustand geschaltet werden, bewirkt die Steuerung 26 auch, dass sich die Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 in den Aus-/offenen Zustand und das Umgehungsrelais 38 in den Ein-/geschlossenen Zustand bewegen. Da sich die SCRs 56 während des Schaltens der Relais 34, 36, 38 zwischen offener und geschlossener Position im Aus-/nichtleitenden Zustand befinden, ist es vorteilhaft, die Relais in einem Nulllastzustand zu schalten und somit Relais mit niedrigerer Nennspannung (d. h. mit einer Nennspannung, die kleiner als die Motorspannung ist) in Verbindung mit dem Einsatz des Festkörperschützes 32 zu implementieren.
Nach dem Schalten der SCRs 56 in den Aus-/nichtleitenden Zustand und dem Schalten der Relais 34, 36, 38 in ihren gewünschten Zustand (d. h. Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 in den Aus-/offenen Zustand und Umgehungsrelais 38 in den Zustand Ein/geschlossen), wird das Verfahren dann in SCHRITT 78 fortgesetzt, wobei die Steuerung 26 bestimmt, ob der Motor 22 gestoppt hat. Die Bestimmung, ob der Motor 22 gestoppt hat, dient dem Schutz des Motors beim Übergang von dem VFD-Modus in den Umgehungsmodus, da die Spannung und der Strom, die dem Motor in dem Umgehungsmodus bereitgestellt werden, sich stark von der Spannung und dem Strom unterscheiden können, die dem Motor über die VFD-Einheit 30 in dem VFD-Modus bereitgestellt werden. Wenn also die Steuerung 26 in SCHRITT 78 bestimmt, dass der Motor 22 nicht gestoppt hat, wie bei 80 angegeben, dann wird das Verfahren auf SCHRITT 76 zurückgeschaltet. Dabei hält die Steuerung 26 den Betrieb der Motorschaltbaugruppe 24 im Übergangsmodus aufrecht - mit den SCRs 56 im Aus-/nichtleitenden Zustand und mit Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 Aus/offen und Umgehungsrelais 38 Ein/geschlossen.
Umgekehrt, wenn die Steuerung 26 in SCHRITT 78 bestimmt, dass der Motor 22 gestoppt hat, wie bei 82 angegeben, dann fährt das Verfahren 62 mit SCHRITT 84 fort, wobei die Steuerung 26 das Festkörperschütz 32 veranlasst, im „Sanftstart“- oder „Anstiegs“-Modus betrieben zu werden. Das heißt, die Steuerung 26 steuert selektiv ein Ein-/Ausschalten der SCR-Paare 56, um die Übertragung von Spannung und Strom durch diese zu steuern und dadurch die transienten Spannungen und Ströme zum Motor 22 zu begrenzen - was einen sanften Hochlauf des Motors ermöglicht. Nach Abschluss des Hochlaufs des Motors 22, der in SCHRITT 84 durchgeführt wurde, endet das Verfahren dann mit SCHRITT 86, wobei davon ausgegangen wird, dass sich die Motorschaltbaugruppe 24 danach in einem Umgehungsbetriebsmodus befindet, in dem die SCRs 56 im Ein-/leitenden Zustand betrieben werden und dem Motor 22 über den Umgehungspfad 40 Leistung bereitgestellt wird, da das Umgehungsrelais 38 Ein/geschlossen und die Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 Aus/offen gehalten werden.
Unter Bezugnahme auf 6 wird nun ein Verfahren 88 für den Übergang von dem Umgehungsbetriebsmodus (zurück) in den VFD-Betriebsmodus gezeigt. Bei Startverfahren 88 in SCHRITT 90 wird davon ausgegangen, dass sich der Systemtrenner 14 in einer Ein-Position befindet, so dass Strom zum Motorsteuerungssystem 18 fließt und das System mit Energie versorgt wird. Wie in SCHRITT 92 gezeigt, befindet sich das Festkörperschütz 32 in einem Ein-/leitenden Zustand (d. h. leitender Modus), während sich das Eingangsrelais 34 und das Ausgangsrelais 36 im Aus-/offenen Zustand und das Umgehungsrelais 38 im Ein-/geschlossenen Zustand befinden, wobei die Motorschaltbaugruppe 24 anfänglich in dem Umgehungsmodus betrieben wird. Dementsprechend wird der Motor 22 über das Festkörperschütz 32 und den Umgehungspfad 40 gespeist.
In SCHRITT 94 wird eine Bestimmung durchgeführt, ob die Motorschaltbaugruppe 24 in den VFD-Betriebsmodus überführt werden muss. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann die Steuerung 26 basierend auf einer Reihe von Eingaben und/oder Kriterien eine Bestimmung durchführen, ob sie in den VFD-Betriebsmodus übergeht (oder im Umgehungsbetriebsmodus bleibt). In einer Ausführungsform kann die Steuerung 26 die Bestimmung, ob in den VFD-Betriebsmodus überzugehen ist, auf der Grundlage einer oder mehrerer Eingaben eines Bedieners durchführen, die anzeigen, dass ein Betrieb des Motors 22 mit variabler Drehzahl/variablem Drehmoment gewünscht wird, so dass eine Konditionierung/Steuerung der Eingangsleistung des Motors 22 durch die VFD-Einheit 30 erforderlich ist. In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerung 26 (oder ein Benutzer) die Bestimmung, ob in den VFD-Betriebsmodus überzugehen ist, auf der Grundlage durchführen, dass eine funktionierende VFD-Einheit 30 eine VFD-Einheit ersetzt, die zuvor als fehlerhaft oder anderweitig nicht ordnungsgemäß funktionierend identifiziert worden war, so dass der Betrieb der Motorschaltbaugruppe 24 im VFD-Modus wieder sicher aufgenommen werden kann.
Wenn in SCHRITT 94 bestimmt wird, dass der Übergang von dem Umgehungsmodus in den VFD-Modus nicht erforderlich oder erwünscht ist, wie in SCHRITT 96 angegeben, dann wird das Verfahren auf SCHRITT 92 zurückgeschaltet. Dabei wird der Betrieb der Motorschaltbaugruppe 24 in dem Umgehungsmodus aufrechterhalten - wobei die Steuerung 26 die SCRs 56 im Ein-/leitenden Zustand und die Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 im Aus-/offenen Zustand und Umgehungsrelais 38 im Ein-/geschlossenen Zustand betreibt. Wenn umgekehrt in SCHRITT 94 bestimmt wird, dass ein Übergang von dem Umgehungsmodus in den VFD-Modus erforderlich oder erwünscht ist, wie in 98 angegeben, dann fährt das Verfahren mit SCHRITT 100 fort, wo ein solcher Übergang durchgeführt wird. Beim Übergang von dem Umgehungsmodus in den VFD-Modus (d. h. Betätigung der Motorschaltbaugruppe 24 und ihres Festkörperschützes 32 in ihrem Übergangsbetriebsmodus) veranlasst die Steuerung 26 zunächst die SCRs 56 im Festkörperschütz 32, kontrolliert in den Aus-/nichtleitenden Zustand zu schalten.
Nach dem Schalten der SCRs 56 in den Aus-/nichtleitenden Zustand fährt das Verfahren dann mit SCHRITT 102 fort, wobei die Steuerung 26 bestimmt, ob der Motor 22 gestoppt hat. Die Bestimmung, ob der Motor 22 gestoppt hat, dient dem Schutz des Motors beim Übergang von dem Umgehungsmodus in den VFD-Modus. Wenn in SCHRITT 102 bestimmt wird, dass der Motor 22 nicht gestoppt hat, wie bei 104 angegeben, dann schaltet das Verfahren auf SCHRITT 100 zurück. Dabei wird der Betrieb der Motorschaltbaugruppe 24 im Übergangsmodus aufrechterhalten - wobei die Steuerung 26 die SCRs 56 im Aus-/nichtleitenden Zustand betreibt. Wird umgekehrt in SCHRITT 102 bestimmt, dass der Motor 22 gestoppt hat, wie bei 106 angegeben, fährt das Verfahren mit SCHRITT 108 fort, wobei die Steuerung 26 die Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 veranlasst, in den Ein-/geschlossenen Zustand und Umgehungsrelais 38 in den Aus-/offenen Zustand überzugehen. Da sich die SCRs 56 während des Schaltens der Relais 34, 36, 38 zwischen offener und geschlossener Position im Aus-/nichtleitenden Zustand befinden, können die Relais 34, 36, 38 bei Nulllast geschaltet und somit Relais mit niedrigerer Nennspannung (d. h. mit einer Nennspannung, die kleiner als die Motorspannung ist) in der Motorschaltbaugruppe 24 implementiert werden. Beim Schalten der Relais 34, 36, 38 in den gewünschten Zustand (d. h. Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 in den Ein-/geschlossenen Zustand und Umgehungsrelais 38 in den Aus-/offenen Zustand) veranlasst die Steuerung 26, die SCRs 56 im Festkörperschütz 32 in den Ein-/leitenden Zustand zu schalten.
Nach dem Schalten der Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 in den Ein-/geschlossenen Zustand und des Umgehungsrelais 38 in den Aus-/offenen Zustand und dem Schalten der SCRs 56 in den Ein-/leitenden Zustand wird das Verfahren in SCHRITT 110 fortgesetzt, indem die Motorschaltbaugruppe 24 in dem VFD-Modus betrieben wird. Das heißt, der VFD-Einheit 30 wird dreiphasiger Strom bereitgestellt, wobei die VFD-Einheit 30 so betrieben wird, dass sie einen kontrollierten Strom und eine kontrollierte Spannung an den Motor 22 ausgibt, der für den Betrieb bei einer gewünschten Drehzahl sorgt. Nach dem Eintritt in den VFD-Betriebsmodus in SCHRITT 110 endet das Verfahren dann in SCHRITT 112 und die Motorschaltbaugruppe 24 befindet sich danach in dem VFD-Betriebsmodus, in dem die SCRs 56 im Ein-/leitenden Zustand betrieben werden und dem Motor über die VFD-Einheit 30 Leistung bereitgestellt wird, da das Umgehungsrelais 38 Aus/offen gehalten wird und die Eingangs- und Ausgangsrelais 34, 36 Ein/geschlossen bleiben.
Daher stellen Ausführungsformen der Erfindung vorteilhafterweise ein Motorsteuerungssystem und dessen Betriebsverfahren bereit, die fortschrittlichere Steuerungen im Motorsteuerungssystem ermöglichen, einschließlich der Steuerung und des Schutzes des Leistungsflusses, während gleichzeitig die Anzahl der diskreten Komponenten, die im Motorsteuerungssystem erforderlich sind, reduziert wird (d. h. das Entfernen diskreter Schütze und Sanftstarter einer Umgehungsbaugruppe). Die Integration eines multifunktionalen Festkörperschützes und Relais in eine Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene stellt eine elektrische Isolierung bereit und ermöglicht den Übergang zwischen den Betriebsmodi, wobei das Festkörperschütz und die Relais die Stromversorgung zu einem VFD oder eine Umgehung um das VFD herum bereitstellen und den Übergang zwischen den Zuständen bei Nulllast ermöglichen. Die Integration des multifunktionalen Festkörperschützes und der Relais in eine Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene reduziert Kabelverluste, führt zu weniger Anschlussverbindungen und eliminiert Spannungsverluste dieser Verbindungen, so dass ein effizienteres Motorsteuerungssystem bereitgestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Motorsteuerungssystem zum selektiven Steuern der Leistung von einer Leistungsquelle zu einer Last bereitgestellt. Das Motorsteuerungssystem schließt eine Motorschaltbaugruppe ein, die einen Leistungswandler umfasst, der auf einem Wandlerpfad positioniert und konfiguriert ist, um Leistung von der Leistungsquelle zu empfangen und eine gesteuerte Ausgangsleistung an die Last, ein erstes Relais, das auf dem Wandlerpfad dem Leistungswandler vorgelagert positioniert ist, ein zweites Relais, das auf einem Umgehungspfad positioniert ist, der parallel zum Wandlerpfad verläuft, und eine Festkörperschalteinheit, die dem Wandlerpfads und dem Umgehungspfads vorgelagert positioniert ist, bereitzustellen, wobei die Festkörperschalteinheit eine Vielzahl von Festkörperschaltern umfasst. Das Motorsteuerungssystem schließt auch ein Steuerungssystem ein, das den Betrieb der Motorschaltbaugruppe steuert. Das Steuerungssystem ist so programmiert, dass es das Schalten der Vielzahl von Festkörperschaltern steuert, um die Festkörperschalteinheit entweder in einem leitenden Modus, einem nichtleitenden Modus oder einem Anstiegsmodus zu betreiben, um so den Leistungsfluss durch diese Einheit selektiv zu steuern und zu konditionieren. Das Steuerungssystem ist auch so programmiert, dass es das Schalten des ersten und zweiten Relais zwischen offener und geschlossener Position steuert, um die Leistung selektiv entlang des Wandlerpfads oder des Umgehungspfads zu leiten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein steuerungsimplementiertes Verfahren zum Betreiben einer Motorschaltbaugruppe zur Steuerung der Leistungsabgabe von einer Leistungsquelle an eine Last bereitgestellt. Das Verfahren schließt die Steuerung der Motorschaltbaugruppe ein, so dass sie entweder in einem Leistungskonditionierungsmodus oder einem Umgehungsmodus betrieben wird. Bei der Steuerung der Motorschaltbaugruppe zum Betreiben in dem Leistungskonditionierungsmodus schließt das Verfahren ferner das Betreiben einer Festkörperschalteinheit der Motorschaltbaugruppe in einem leitenden Modus, das Betreiben eines Eingangsrelais der Motorschaltbaugruppe in einer geschlossenen Position und das Betreiben eines Umgehungsrelais der Motorschaltbaugruppe in einer offenen Position ein, so dass Leistung von der Leistungsquelle durch den Leistungswandler geleitet wird, wobei die Festkörperschalteinheit dem Leistungswandler vorgelagert positioniert ist und einem Knoten vorgelagert ist, mit dem das Eingangsrelais und das Umgehungsrelais parallel verbunden ist. Bei der Steuerung der Motorschaltbaugruppe zum Betreiben im Umgehungsmodus schließt das Verfahren ferner das Betreiben der Festkörperschalteinheit in einem leitenden Modus, das Betreiben des Eingangsrelais in einer offenen Position und das Betreiben des Umgehungsrelais in einer geschlossenen Position ein, so dass Leistung von der Leistungsquelle den Leistungswandler umgeht. Gemäß noch einer weiteren Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene zur Steuerung der Leistung von einer Leistungsquelle zu einer Last bereitgestellt. Die Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene schließt eine PCB-Struktur und eine Vielzahl von Schutz- und Steuerungskomponenten ein, die in die PCB-Struktur integriert sind. Die Vielzahl von Schutz- und Steuerungskomponenten schließt einen multifunktionalen Festkörperschalter mit einer Vielzahl von Festkörperschaltern, die selektiv schaltbar sind, um den Leistungsfluss durch den multifunktionalen Festkörperschalter zu steuern und zu konditionieren, sowie eine VFD-Einheit, die dem multifunktionalen Festkörperschalter nachgelagert und so betreibbar ist, dass sie der Last eine gesteuerte Ausgangsleistung bereitstellt, ein Eingangsrelais, das zwischen dem multifunktionalen Festkörperschütz und der VFD-Einheit positioniert und schaltbar ist, um den Leistungsfluss in die VFD-Einheit zu steuern, und ein Umgehungsrelais, das zwischen dem multifunktionalen Festkörperschütz und der VFD-Einheit positioniert und parallel zum Eingangsrelais geschaltet ist, wobei das Umgehungsrelais schaltbar ist, um den Leistungsfluss auf einen Umgehungspfad zu steuern, der den Leistungsfluss um die VFD-Einheit herumleitet, ein.
Die vorliegende Erfindung wurde im Sinne der bevorzugten Ausführungsform beschrieben, und es versteht sich, dass Äquivalente, Alternativen und Änderungen, abgesehen von den ausdrücklich genannten, im Rahmen der beigefügten Ansprüche möglich sind.

Claims

Motorsteuerungssystem zum selektiven Steuern von Leistung von einer Leistungsquelle zu einer Last, wobei das Motorsteuerungssystem umfasst: eine Motorschaltbaugruppe umfassend: einen Leistungswandler, der auf einem Wandlerpfad positioniert und so konfiguriert ist, dass er Leistung von der Leistungsquelle empfängt und der Last eine kontrollierte Ausgangsleistung bereitstellt; ein erstes Relais, das auf dem Wandlerpfad dem Leistungswandler vorgelagert positioniert ist; ein zweites Relais, das auf einem Umgehungspfad positioniert ist, der parallel zum Wandlerpfad verläuft; und eine Festkörperschalteinheit, die dem Wandlerpfad und dem Umgehungspfad vorgelagert positioniert ist, wobei die Festkörperschalteinheit eine Vielzahl von Festkörperschaltern umfasst; und ein Steuerungssystem, das den Betrieb der Motorschaltbaugruppe steuert, wobei das Steuerungssystem so programmiert ist, dass es: das Schalten der Vielzahl von Festkörperschaltern steuert, um die Festkörperschalteinheit entweder in einem leitenden Modus, einem nichtleitenden Modus oder einem Anstiegsmodus zu betreiben, um so den Leistungsfluss durch diese Einheit selektiv zu steuern und zu konditionieren; und das Schalten des ersten und zweiten Relais zwischen offener und geschlossener Position steuert, um die Leistung selektiv entlang des Wandlerpfads oder des Umgehungspfads zu leiten.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Motorschaltbaugruppe eine Baugruppe auf Leiterplattenebene umfasst, wobei der Leistungswandler, der Wandlerpfad, der Umgehungspfad, die Festkörperschalteinheit und das erste und zweite Relais auf einer Leiterplatte (PCB) montiert oder auf dieser ausgebildet sind.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 2, wobei der Wandlerpfad und der Umgehungspfad Leiterbahnen umfassen, die auf einem isolierenden Substrat der PCB ausgebildet sind.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuerungssystem so programmiert ist, dass es die Motorschaltbaugruppe selektiv in einem Leistungsumwandlungsmodus oder einem Umgehungsmodus betreibt, wobei die Leistung in dem Leistungsumwandlungsmodus an den Leistungswandler und in dem Umgehungsmodus an den Umgehungspfad geleitet wird.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 4, wobei das Steuerungssystem beim Betreiben der Motorschaltbaugruppe im Leistungsumwandlungsmodus so programmiert ist, dass es: die Festkörperschalteinheit in dem leitenden Modus betreibt, wobei sich die Vielzahl von Festkörperschaltern in einem leitenden Zustand befindet; und das erste Relais in geschlossener Position und das zweite Relais in offener Position betreibt, so dass die Leistung zum Leistungswandler geleitet wird.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 4, wobei das Steuerungssystem beim Betreiben der Motorschaltbaugruppe in dem Umgehungsmodus so programmiert ist, dass es: die Festkörperschalteinheit in dem leitenden Modus betreibt, wobei sich die Vielzahl von Festkörperschaltern in einem leitenden Zustand befindet; und das zweite Relais in geschlossener Position und das erste Relais in offener Position betreibt, so dass die Leistung durch den Umgehungspfad geleitet wird.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 4, wobei beim Übergang der Motorschaltbaugruppe zwischen dem Leistungsumwandlungsmodus und dem Umgehungsmodus das Steuerungssystem so programmiert ist, dass es: die Festkörperschalteinheit im nichtleitenden Modus betreibt, wobei sich die Vielzahl von Festkörperschaltern in einem nichtleitenden Zustand befindet; und das erste und zweite Relais zwischen der offenen und geschlossenen Position selektiv schaltet, während die Festkörperschalteinheit im nichtleitenden Modus betrieben wird, so dass das erste und das zweite Relais in einem Nulllastzustand geschaltet werden.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 7, wobei beim Übergang der Motorschaltbaugruppe von dem Leistungsumwandlungsmodus in den Umgehungsmodus das Steuerungssystem so programmiert ist, dass es die Festkörperschalteinheit in dem Anstiegsmodus betreibt, wobei der Zustand der mehreren Festkörperschalter selektiv geschaltet wird, um eine gesteuerte Leistung von der Festkörperschalteinheit auszugeben.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend ein drittes Relais, das auf dem Leistungswandlerpfad dem Leistungswandler nachgelagert positioniert ist, und wobei das Steuerungssystem so programmiert ist, dass es das Schalten des dritten Relais zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position steuert, und zwar so, dass sich das dritte Relais in der gleichen Position wie das erste Relais befindet.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei das erste und das zweite Relais eine Nennspannung haben, die kleiner als die volle Nennspannung der Last ist, und/oder einen Nennstrom, der keine Einschaltstromtragfähigkeit des Motors erfordert.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Festkörperschaltern der Festkörperschalteinheit aus einem von siliziumgesteuerten Gleichrichtern (SCRs) oder Thyristoren besteht.
Motorsteuerungssystem nach Anspruch 1, wobei der Leistungswandler einen Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) umfasst.
Steuerungsimplementiertes Verfahren zum Betreiben einer Motorschaltbaugruppe zum Steuern der Leistungsabgabe von einer Leistungsquelle an eine Last, das Verfahren umfassend: die Steuerung der Motorschaltbaugruppe, so dass sie entweder in einem Leistungskonditionierungsmodus oder in einem Umgehungsmodus betrieben wird; wobei die Steuerung der Motorschaltbaugruppe zum Betreiben in dem Leistungskonditionierungsmodus umfasst: Betreiben einer Festkörperschalteinheit der Motorschaltbaugruppe in einem leitenden Modus, Betreiben eines Eingangsrelais der Motorschaltbaugruppe in einer geschlossenen Position; und Betreiben eines Umgehungsrelais der Motorschaltbaugruppe in einer offenen Position, so dass Leistung von der Leistungsquelle durch den Leistungswandler geleitet wird; wobei die Festkörperschalteinheit dem Leistungswandler und einem Knoten vorgelagert positioniert ist, mit dem das Eingangsrelais und das Umgehungsrelais parallel verbunden ist; und wobei die Steuerung der Motorschaltbaugruppe zum Betreiben in dem Umgehungsmodus umfasst: Betreiben der Festkörperschalteinheit in einem leitenden Modus; Betreiben des Eingangsrelais in einer offenen Position; und Betreiben des Umgehungsrelais in einer geschlossenen Position, so dass Leistung von der Leistungsquelle den Leistungswandler umgeht.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Betreiben der Festkörperschalteinheit in einem nichtleitenden Modus beim Übergang zwischen dem Leistungskonditionierungsmodus und dem Umgehungsmodus; und Schalten der Eingangs- und Umgehungsrelais zwischen offener und geschlossener Position, während die Festkörperschalteinheit in dem nichtleitenden Modus betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 14 ferner umfassend das Schalten der Eingangs- und Umgehungsrelais zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position unter einem Nulllastzustand, während die Festkörperschalteinheit in dem nichtleitenden Modus betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend: Betreiben der Festkörperschalteinheit in einem Anstiegsmodus beim Übergang vom Leistungskonditionierungsmodus in den Umgehungsmodus; und selektives Schalten einer Vielzahl von Festkörperschaltern der Festkörperschalteinheit, die während des Anstiegsmodus eine gesteuerte Leistung von der Festkörperschalteinheit ausgeben sollen.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend: Betreiben eines Ausgangsrelais, das sich an einem Ausgang des Leistungswandlers in einer geschlossenen Position befindet, wenn die Motorschaltbaugruppe in dem Leistungskonditionierungsmodus betrieben wird; und Betreiben des Ausgangsrelais in einer offenen Position, wenn die Motorschaltbaugruppe in dem Umgehungsmodus betrieben wird.
Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene zum Steuern der Leistung von einer Leistungsquelle zu einer Last, die Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene umfassend: eine Struktur einer Leiterplatte (PCB); und eine Vielzahl von Schutz- und Steuerungskomponenten, die in die PCB-Struktur integriert sind, die Vielzahl der Schutz- und Steuerungskomponenten umfassend: ein multifunktionales Festkörperschütz mit einer Vielzahl von Festkörperschaltern, die selektiv schaltbar sind, um den Leistungsfluss durch das multifunktionale Festkörperschütz zu steuern und zu konditionieren; eine VFD-Einheit (Variable-Frequency-Drive-Einheit), die dem multifunktionalen Festkörperschütz nachgelagert und so betreibbar ist, dass sie der Last eine kontrollierte Ausgangsleistung bereitstellt; ein Eingangsrelais, das zwischen dem multifunktionalen Festkörperschütz und der VFD-Einheit positioniert und schaltbar ist, um den Leistungsfluss in die VFD-Einheit zu steuern; und ein Umgehungsrelais, das zwischen dem multifunktionalen Festkörperschütz und der VFD-Einheit positioniert und parallel zum Eingangsrelais geschaltet ist, wobei das Umgehungsrelais schaltbar ist, um den Leistungsfluss auf einen Umgehungspfad zu steuern, der den Leistungsfluss um die VFD-Einheit herumleitet.
Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von Schutz- und Steuerungskomponenten ferner ein Ausgangsrelais umfasst, das an einem Ausgang des Leistungswandlers positioniert ist, und ob das Eingangsrelais und das Ausgangsrelais die VFD-Einheit von der Stromquelle bzw. der Last elektrisch isolieren, wenn sie sich in einer offenen Position befinden.
Motorschaltbaugruppe auf Leiterplattenebene nach Anspruch 18, wobei das Eingangsrelais und das Umgehungsrelais jeweils mindestens eine von einer Nennspannung aufweisen, die kleiner ist als die volle Nennspannung der mit der Schaltbaugruppe auf Leiterplattenebene verbundenen Last, und/oder einen Nennstrom, der kleiner ist als die Einschaltstromtragfähigkeit des Motors.