DE19622396A1 - Frequenzumrichter für eine Antriebsvorrichtung - Google Patents
Frequenzumrichter für eine AntriebsvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzumrichter zur
Steuerung einer Motordrehzahl und/oder Motorleistung eines
Wechselstrommotors und auf eine Antriebsvorrichtung mit einem
Wechselstrommotor und dem Frequenzumrichter.
Fig. 9 zeigt eine bekannte Antriebsvorrichtung mit einem
Wechselstrommotor 2, der zugeführte elektrische Energie in
mechanische Energie umwandelt, und einem Frequenzumrichter 1.
Der Frequenzumrichter 1 dient der Umwandlung einer zugeführ
ten Netzspannung mit konstanter Amplitude und Frequenz in ei
ne Ausgangsspannung mit variabler Frequenz und Amplitude.
Weiterhin ist eine Steuereinrichtung als Bedienungsschnitt
stelle vorgesehen, die Steuer- bzw. Schutzsignale für einen
Leistungsteil 16 des Frequenzumrichters erzeugt.
Der Wechselstrommotor 2 und der Frequenzumrichter 1 sind als
getrennt Einheiten ausgeführt, die über elektrische Verbin
dungsleitungen 5 miteinander verbunden sind, wobei der Wech
selstrommotor 2 aus Kostengründen häufig ein Normmotor ist.
Ein derartiger Normmotor 2 ist in Fig. 10 dargestellt. Cha
rakteristische Normmerkmale des Normmotors 2 sind Achsenhöhe
h und Befestigungsabstände a und b in der Längs- bzw. Quer
achse. An einem axialen Ende des Normmotors befindet sich ein
Eigenlüfter 20, der durch eine Lüfterhaube 21 abgedeckt ist.
Es ist wünschenswert, den Wechselstrommotor 2 und den Fre
quenzumrichter in einer Antriebsvorrichtung zu integrieren.
Eine solche Integration bietet die Vorteile einer einfachen
Inbetriebnahme der Antriebsvorrichtung, einer optimalen An
passung des Wechselstrommotors 2 an den Frequenzumrichter 1,
geringer Abmessungen, sowie fehlender Verbindungsleitungen 5.
Ferner ermöglicht die gemeinsame Nutzung des Lüfters 20 durch
den Wechselstrommotor 2 und den Frequenzumrichter 1 eine Ko
sten- und Volumenreduzierung.
Folgende Integrationslösungen sind bereits aus dem Stand der
Technik bekannt.
Aus der Veröffentlichung von Böhm, W. u. a., "Der VEM-Kompak
tantrieb - nicht nur ein Motor mit integriertem Frequenzum
richter", ELEKTRIE, Berlin 48 (1994) 8/9, S. 296-298 und aus
der Druckschrift EP 0 681 360 A2 ist eine integrierte Anord
nung bekannt, bei der ein Frequenzumrichter auf einem Wech
selstrommotor nach dem "Huckepack"-Prinzip angeordnet ist.
Ferner zeigt die Druckschrift G 93 05 174.3 eine Integration
eines Frequenzumrichters in axialer Richtung hinter dem Wech
selstrommotor durch Verlängerung des Statorgehäuses. Dabei
ist der Frequenzumrichter in einem vergrößerten Lagerschild
bzw. Motorgehäuse angeordnet.
In den beiden vorgenannten Fällen ist jedoch ein modifizier
tes Statorgehäuse des Wechselstrommotors und damit ein spezi
eller Wechselstrommotor erforderlich. Die "Huckepack"-Lösung
führt zudem zu einer Vergrößerung der vertikalen Abmessungen
des Wechselstrommotors. Eine solche Motorvergrößerung ist
nachteilig, da der verfügbare Raum für Antriebsvorrichtungen
in Arbeitsmaschinen o. dgl. im allgemeinen gering bemessen ist.
Des weiteren ist die thermische Kopplung zwischen dem Stator
gehäuse bzw. dem Lagerschild des Wechselstrommotors und der
Frequenzumrichterelektronik nachteilig, da die Statortempera
tur über 100°C ansteigen kann, die Frequenzumrichterelektro
nik dagegen ab 70°C in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträch
tigt ist. Daher ist beim genannten Beispiel mit axialer Um
richterintegration am umrichterseitigen Ende der Antriebsvor
richtung ein Fremdlüfter erforderlich, was die Verwendung ei
nes Standard- oder Normmotors ausschließt.
Bei der "Huckepack"-Lösung wird das Temperaturproblem durch
eine spezielle Ausgestaltung einer Trägerbaugruppe des Fre
quenzumrichters in Verbindung mit einer speziellen Anordnung
der Statorkühlrippen gelöst, wodurch wiederum die Verwendung
eines Standard- oder Normmotors ausgeschlossen ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Fre
quenzumrichter für eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen,
der ohne wesentliche bauliche Veränderungen des Wechselstrom
motors integrierbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Frequenzumrichter gemäß
Patentanspruch 1.
Durch die thermische Kopplung des Trägerteils des Umrichter
moduls mit der Lüfterhaube des Wechselstrommotors bzw. durch
die Ausgestaltung des Trägerteils als modifizierte Lüfter
haube kann das bei der Integration auftretende Temperaturpro
blem ohne weitere bauliche Veränderungen des Wechselstrommo
tors gelöst werden.
Somit ist eine Integration des Frequenzumrichters mit einem
beliebigen Standard- oder Normmotor und damit eine vorteil
hafte getrennte Herstellung von Umrichtermodulen für ver
schiedene Normmotoren möglich.
Die Verwendung von Normmotoren ermöglicht eine kostengünstige
Herstellung der Antriebsvorrichtung unter Beibehaltung der
Motorabmessungen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorgenannten Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 eine Frontansicht und eine Seitenansicht als Teil
schnitt der Antriebsvorrichtung gemäß einem ersten Ausfüh
rungsbeispiel;
Fig. 2 Frontansichten der Antriebsvorrichtung mit außenseitig
bzw. im Bereich der Kühlrippen angeordneter Kondensatorbank;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines elektronischen Leistungs
teils des Frequenzumrichters;
Fig. 4 eine Front-, Seitenschnitt- und Rückansicht eines Um
richtermodulgehäuses;
Fig. 5 eine Seitenansicht als Teilschnitt der Antriebsvor
richtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 eine Seitenansicht als Teilschnitt der Antriebsvor
richtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 eine Seitenansicht als Teilschnitt der Antriebsvor
richtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 eine Seitenansicht als Teilschnitt der Antriebsvor
richtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 eine Antriebsvorrichtung mit getrennt angeordnetem
Frequenzumrichter gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 10 eine Seiten- und Frontansicht eines Normmotors gemäß
dem Stand der Technik.
In Fig. 1 ist eine Frontansicht und eine Seitenansicht als
Teilschnitt einer Antriebsvorrichtung gemäß einem ersten Aus
führungsbeispiel dargestellt, mit einem zylinderförmigen Um
richtermodul 3, dessen Außendurchmesser an den Außendurchmes
ser eines Wechselstrommotors 2, der beispielsweise ein Stan
dard- oder Normmotor sein kann, angepaßt ist. Der Wechsel
strommotor 2 kann als Asynchron-, Synchron-, Reluktanzmotor
oder als Motor mit geschalteter Reluktanz ausgebildet sein.
Das Umrichtermodul 3 ist in einer als Trägerteil wirkenden
und von dem Statorgehäuse des Wechselstrommotors 2 thermisch
entkoppelten modifizierten Lüfterhaube 4 eines Eigenlüfters
20 mit einem Außendurchmesser D1 eingepreßt oder auf sonstige
Weise daran befestigt, wobei die Außenform des Umrichtermo
duls 3 der modifizierten Lüfterhaube 4 folgt. Die modifi
zierte Lüfterhaube 4 ersetzt die ursprüngliche Lüfterhaube 21
wie beispielsweise eine Normlüfterhaube des Wechselstrommo
tors 2.
Das Gehäuse des Umrichtermoduls 3 weist an seinem Außenumfang
axiale Kühlrippen 23 auf, die in Verbindung mit der Lüfter
haube 4 des Wechselstrommotors 2 axiale Kanäle für die Kühl
luft bilden. An einer dem Eigenlüfter 20 zugewandte Außen
seite einer Bodenwand des Umrichtermoduls 3 sind radiale
Kühlrippen 24 angeordnet, die in Verbindung mit am Lüfterzy
linder 4 angebrachten Luftblenden 6 radiale Kanäle für die
Kühlluft bilden. Dabei sorgen die Luftblenden 6 dafür, daß
die Kühlluft konzentriert um die Mittelachse des Umrichtermo
duls 3 bzw. die Motorachse ein- bzw. ausströmt, so daß eine
Zentrifugallüftung erzeugbar ist. Die Kühlkanäle gewährlei
sten eine von der Lage des Wechselstrommotors 2 unabhängige
Warmluftabfuhr. Die Luftblenden 6 dienen ferner der Verhinde
rung einer Rückstrahlung von Wärme zu dem Umrichtermodul 3.
Durch vorgenannte Ausgestaltung ist eine ausreichende Aus
tauschfläche zwischen Kühlmedium und Gehäuse des Umrichtermo
duls 3 bei ausreichender Funktion des Eigenlüfters 20 gewähr
leistet. Zur Verbesserung der Kühlwirkung, insbesondere der
Motorkühlung, können zusätzliche Lufteintrittsöffnungen in
den Lüfterzylinder 4 eingebracht werden.
In dem Umrichtermodul 3 ist ein nachstehend näher erläutertes
Leistungsmodul 16 des Frequenzumrichters untergebracht. Vor
zugsweise werden aufgrund entsprechender Verlustleistungswer
te erwärmungsgefährdete Schaltungskomponenten bzw. Bauele
mente thermisch gut leitend an der Innenseite der dem Eigen
lüfter 20 zugewandten Bodenwand des Umrichtermoduls 3 ange
bracht, so daß eine ausreichende Kühlung gewährleistet ist.
Das Gehäuse des Umrichtermoduls 3 ist an der dem Eigenlüfter
20 abgewandten Seite mit einer abnehmbaren Verschlußplatte
verschließbar, die vorzugsweise thermisch leitend ist.
Weitere mögliche Frequenzumrichterteile wie beispielsweise
ein externer Bremswiderstand 9, ein Fremdlüfter 8, eine Be
dieneinrichtung, eine Drehzahl- bzw. Lageerfassungseinrich
tung 7 und eine Kondensatorbank 11 werden vorzugsweise außer
halb des Umrichtermoduls 3 angeordnet.
Fig. 2 zeigt jeweils eine Frontansicht der Antriebsvorrich
tung mit extern angeordneter Kondensatorbank 11, die vorzugs
weise über eine elektrische Verbindung mit geringer Indukti
vität mit dem Leistungsteil 16 verbunden ist. Die Kondensa
torbank 11 besteht aus mehreren zylinderförmigen Kondensato
ren wie beispielsweise Elektrolytkondensatoren, die entspre
chend der linken Darstellung in Fig. 2 am Außenumfang des
Lüfterzylinders 4 oder entsprechend der rechten Darstellung
im Bereich der axialen Kühlrippen 23 des Umrichtermoduls 3
angebracht sind. Bei der links dargestellten Außenmontage
können die Kondensatoren in einem Gehäuse untergebracht sein,
das der geometrischen Form der Kondensatoren angepaßt ist,
wobei auch weitere Schaltelemente wie Anschlußklemmen oder
eine Netzdrossel in dem Gehäuse angeordnet sein können. Bei
der Außenmontage ist die Größe des Kondensatorbankgehäuses
vorzugsweise so zu wählen, daß die normierte Motorabmessung
einschließlich der Höhe eines Motoranschlußkastens nicht
überschritten und die Lüfterwirkung nicht beeinflußt wird.
Die rechts dargestellte Anordnung der Kondensatorbank 11 bie
tet sich bei größeren Motordurchmessern aufgrund der damit
verbundenen größeren Höhe der axialen Kühlrippen 23 des Um
richtermoduls 3 an. Diese Anordnung gewährleistet zudem eine
ausreichende Kühlung der Kondensatorbank 11.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der internen Komponenten des
Leistungsteils 16 des Umrichtermoduls 3. Leistungshalbleiter
eines motorseitigen Wechselrichters 12 befinden sich in einem
oder mehreren Modulen, die am Gehäuse des Umrichtermoduls 3,
vorzugsweise an der Innenseite der dem Eigenlüfter 20 zuge
wandten Gehäusewand, angeordnet sind und durch dieses gekühlt
werden. Zur Erzeugung einer Drehstrom-Ausgangsspannung können
Leistungstransistoren des motorseitigen Wechselrichters 12,
wie in Fig. 3 dargestellt, in einer dreiphasigen Brücke ge
schaltet sein.
Die Kühlkörper der Leistungsmodule oder anderer verlustlei
stungserzeugender Komponenten des Leistungsteils 16 können
direkt an der Innenwand des Gehäuse des Umrichtermoduls 3 be
festigt sein. Dadurch ist sowohl eine mechanische als auch
eine thermische Kopplung der Leistungsmodule mit dem Gehäuse
erreichbar. Falls die Kühlkörper der Leistungsmodule nicht
elektrisch von diesen isoliert sind, kann ein thermisch lei
tender Isolator zwischen den Kühlkörpern und dem Gehäuse an
geordnet werden.
Das Leistungsteil 16 weist ferner einen netzseitigen Gleich
richter 10, eine Schutz- und Ansteuerelektronik 13, ein Netz
teil 15 wie beispielsweise ein Schaltnetzteil zur Versorgung
der Leistungselektronik und eine Strom/Spannungs-Istwerter
fassungseinrichtung 14 auf.
Der Gleichrichter 10 kann in einem getrennten Modul, das
ebenfalls durch die Gehäusewand des Umrichtermoduls 3 gekühlt
wird, untergebracht sein.
Bei einer Ausführung des Frequenzumrichters als Direkt- oder
Matrixumrichter werden der Gleichrichter 10 und der Wechsel
richter 12 durch Leistungstransistoren in Direkt- oder Ma
trixstromrichteranordnung ersetzt.
Wird ein netzseitiger Wechselrichter verwendet, so kann der
Gleichrichter 10 entfallen, wobei die Leistungshalbleiter des
netzseitigen Wechselrichters ebenfalls in einem durch das Um
richtergehäuse gekühlten Modul untergebracht sein können.
Das Ersetzen des Gleichrichters 10 durch einen Wechselrichter
(Vierquadrantensteller) ermöglicht eine vorteilhafte Rück
speisung von Energie ins Netz.
Das Netzteil 15 wird über die Kondensatorbank 11 gespeist,
wobei vorzugsweise ein Sperrwandler-Netzteil (Flyback-Netz
teil) verwendet wird. Ein Schalter für das Netzteil kann in
dem Leistungsteil 16 oder auf einer Leiterplatte des Umrich
termoduls 3 angeordnet sein. Gleiches gilt für einen Schalter
des nachfolgend erläuterten Bremswiderstands 9 sowie für eine
Treiberelektronik der Leistungshalbleiter. Ein Transformator
des Netzteils 15 befindet sich auf der Leiterplatte.
Die Strom-Istwerterfassung in der Istwerterfassungseinrich
tung 14 kann durch Messung von zumindest zwei Phasenströmen
des Wechselstrommotors 2 anhand von Meßshuntwiderständen er
folgen. Bei einer Sternschaltung des Wechselstrommotors 2
kann je ein Shuntwiderstand in Reihe zwischen eine Stator
wicklung und den Sternpunkt des Wechselstrommotors 2 geschal
tet sein. Das Sternpunktpotential kann dabei als Bezugspoten
tial für die Elektronik des Umrichtermoduls 3 verwendet wer
den.
Die Shuntwiderstände können in dem Umrichtermodul 3 angeord
net sein, wobei die Verbindung der Statorwicklungen zu dem
Sternpunkt in dem Wechselstrommotor 2 erfolgen kann. Alterna
tiv können die Shuntwiderstände in einem Klemmkasten des
Wechselstrommotors 2 angeordnet sein, wobei die Verbindung
zwischen den Statorwicklungen und dem Sternpunkt ebenfalls in
dem Klemmkasten erfolgen kann.
Die Spannungs-Istwerterfassung kann beispielsweise durch Mes
sung der Spannung über der Kondensatorbank 11 erfolgen.
Die zugehörigen Bauelemente der Istwerterfassungseinrichtung
sowie eine Temperaturerfassung des Leistungsteils 16 und der
Kühlkörper können sich auf der Leiterplatte befinden.
Als zusätzliche Komponenten kann das Umrichtermodul 3 eine
Steuereinrichtung und eine Bedienungsschnittstelle aufweisen.
Die Steuereinrichtung umfaßt zumindest einen Mikroprozessor
mit Peripheriebausteinen wie beispielweise Speicher und Ein-/
Ausgabebausteine und erfüllt Regel- und Schutzfunktionen.
Die Bedienungsschnittstelle dient zur externen Kommunikation
des Umrichtermoduls 3, wobei die Kommunikation vorzugsweise
über eine serielle Schnittstelle erfolgt. Weiterhin kann eine
Hilfsspannung zur Versorgung eines externen Bedienungsgeräts
über die Schnittstelle zur Verfügung gestellt werden.
Zur Ermöglichung eines Betriebs bei niedrigen Außentemperatu
ren befindet sich die Steuereinrichtung solange in einem
rückgesetzten Zustand, bis eine minimale Betriebstemperatur
erreicht oder überschritten wird, wobei ein Heizvorgang vor
gesehen ist, während dem das Leistungsteil 16 zur Erzeugung
von Wärme in dem Umrichtermodul 3 angesteuert wird, und wobei
bei Erreichen der minimalen Betriebstemperatur eine Bereit
schaftsanzeige erfolgt. Dadurch ist eine zuverlässige Funkti
onsweise der Elektronikbauteile ohne zusätzliche Standheizung
erzielbar.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise als separate Baugruppe
ausgebildet, die mit der Leiterplatte durch Löt- oder Steck
anschlüsse oder über Kabel verbunden ist und sich in einem
für einen Anwender zugänglichen Gehäuse zwecks Erreichbarkeit
von Anschlußklemmen bzw. der seriellen Schnittstelle befin
det. Dabei ist die Steuereinrichtung zweckmäßigerweise derart
auszubilden, daß eine Berührung von potentialführenden Kompo
nenten ausgeschlossen ist.
Zur Vermeidung einer Überschreitung der maximalen Betriebs
temperatur der Steuereinrichtung kann ein thermisch mit der
Außenwand des Umrichtermoduls 3 gekoppelter Kühlkörper vorge
sehen sein.
Falls die Steuereinrichtung innerhalb des Umrichtermoduls 3
angeordnet ist, kann eine thermisch nichtleitende Blende zur
thermischen Entkopplung der Steuereinrichtung von den Lei
stungsmodulen vorgesehen sein.
Sowohl die Steuereinrichtung als auch die Leiterplatte können
für alle Motortypen gleich ausgeführt sein.
Falls vorhanden, kann der Bremsschalter für den Bremswider
stand und dessen Steuerung im Leistungsmodul oder im Umrich
termodul 3 integriert sein.
Die Leiterplatte wird mit elektrischen Anschlüssen der Lei
stungsmodule elektrisch verbunden und ggf. mit zusätzlichen
mechanischen Verbindungselementen wie beispielsweise Ab
standsbolzen o. dgl. am Gehäuse des Umrichtermoduls 3 befe
stigt.
Auf der Innenwand des Umrichtermoduls kann um die Leistungs
module, d. h. beispielsweise im Bereich der dem Eigenlüfter 20
zugewandten Bodenwand, eine thermisch schlecht leitende
Schicht wie z. B. eine Vergußschicht angeordnet sein, die die
thermische Strahlung oder Rückstrahlung von der Innenwand in
das Innere des Umrichtermoduls 3 dämpft. Des weiteren kann
die Leiterplatte und ggf. die Steuereinrichtung von einer
thermisch gut leitenden Schicht wie z. B. ebenfalls eine Ver
gußschicht umgeben sein, die die Wärme zu einer kühlen Außen
wand des Umrichtermoduls 3 abführt. Vorzugsweise handelt es
sich dabei um eine Gehäuseaußenwand, die zuerst durch die
einströmende Kühlluft gekühlt wird. Die beiden Schichten sind
elektrisch nicht leitend und isolieren damit die im Inneren
des Umrichtermoduls 3 befindlichen Komponenten voneinander.
Durch das Vergießen steigt die mechanische Festigkeit, was zu
einer vorteilhaften Verringerung der Vibrationsanfälligkeit
des Umrichtermoduls 3 führt.
Als Anschlüsse des Umrichtermoduls 3 sind Leistungsanschlüsse
für den Wechselstrommotor 2 und für eine Netzversorgung, ggf.
Anschlüsse für die Kondensatorbank 11 und Steueranschlüsse
für Bedienelemente oder die etwaige externe Steuereinrichtung
vorgesehen.
Fig. 4 zeigt eine Front-, Seitenschnitt- und Rückansicht des
Gehäuses des Umrichtermoduls 3 ohne Verschlußplatte.
Der Gehäuseaußendurchmesser Dm ist an die Motorabmessungen
angepaßt, so daß ein paßgenaues Einfügen in die modifizierte
Lüfterhaube 4 gewährleistet ist. Am Außenumfang des Gehäuses
sind die axialen Kühlrippen 23 und an der dem Eigenlüfter 20
zugewandten Rückseite des Gehäuses die radialen Kühlrippen 24
erkennbar.
Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Aluminium gegossen oder ge
preßt. Dabei sind durch Verkürzen wie beispielsweise Abdrehen
der axialen Kühlrippen 23 mehrere Baugrößen aus einer Guß- oder
Paßform herstellbar, so daß eine Anpassung des Außen
durchmessers an den Motordurchmesser möglich ist. Die damit
verbundene Verkleinerung der axialen Kühlkanäle ist unkriti
sch, da die Verlustwärme bei kleineren Wechselstrommotoren
geringer ist.
Zur Erhöhung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)
kann die Abdeckplatte des Umrichtermodulgehäuses aus magne
tisch abschirmendem Material wie beispielsweise Stahl herge
stellt sein. Des weiteren kann auch die modifizierte Lüfter
haube 4 aus magnetisch abschirmendem Material wie beispiels
weise Stahl hergestellt sein. Zudem kann ein Hochfrequenzfil
ter zum Ausfiltern von Hochfrequenz-Störkomponenten am Netz
eingang des Gleichrichters 10 im Umrichtermodul 3 integriert
sein. Netzkabel können in durch die modifizierte Lüfterhaube
4 und das Gehäuse der Kondensatorbank 11 gebildeten Kabel
schächten herausgeführt werden.
Die als erstes Ausführungsbeispiel beschriebene Konfiguration
eignet sich insbesondere für Pumpen- oder Lüfterantriebe.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung mit
Fremdlüfter 8, externem Bremswiderstand 9 und Drehzahlgeber 7
als zusätzliche Erweiterungsoptionen ist in Fig. 5 darge
stellt.
Der Fremdlüfter 8 ist erforderlich, wenn der Wechselstrommo
tor 2 mit einem hohen Drehmoment und niedriger Drehzahl be
trieben werden soll und somit der Eigenlüfter 20 zur Kühlung
nicht ausreicht. Der Fremdlüfter 8 ist am Umrichtermodul 3
befestigt und kann am Ende der Antriebsvorrichtung oder gemäß
Fig. 5 zwischen dem Wechselstrommotor 2 und dem Umrichtermo
dul 3 angeordnet sein. Er ist durch das Umrichtermodul 3 ak
tivierbar und dient sowohl zur Kühlung des Wechselstrommotors
2 als auch des Umrichtermoduls 3, so daß eine Kühlung des Um
richtermoduls 3 auch bei stehendem Motor möglich ist. Die
Steuerung des Fremdlüfters 8 einschließlich Netzschalter kann
im Umrichtermodul 3 integriert sein.
Die umrichterseitige Steuerbarkeit des Fremdlüfters 8 ermög
licht eine Verbesserung der Umrichterkühlung, da beim Ab
schalten der Antriebsvorrichtung und damit auch der Eigenlüf
tung Wärme aus dem Motorinneren nach außen strömt. Dieser Ef
fekt führt insbesondere nach einem Dauerbetrieb zu einer
nachteiligen Temperaturerhöhung in dem Umrichtermodul 3 und
ist besonders ausgeprägt, wenn sich das Umrichtermodul 3 im
montierten Zustand der Antriebsvorrichtung oberhalb des Wech
selstrommotors 2 befindet, so daß die erwärmte Luft das Um
richtermodul 3 umströmt.
Bei größeren Leistungen kann der Netzschalter des Fremdlüf
ters 8 außerhalb des Umrichtermoduls 3 an dem Fremdlüfter 8
selbst oder an der modifizierten Lüfterhaube 4 angeordnet
sein.
Es bietet sich an, den Fremdlüfter 8 zusammen mit einem ex
ternen Bremswiderstand 9 zu verwenden. Der externe Bremswi
derstand 9 weist eine höhere Leistung als ein im Umrichtermo
dul 3 integrierter Bremswiderstand auf und kann mechanisch an
einem Trägerteil des Umrichtermoduls 3 befestigt sein. Er
kann am Ende der Antriebsvorrichtung vor dem Umrichtermodul 3
oder vorzugsweise gemäß Fig. 5 zwischen dem Umrichtermodul 3
und dem Fremdlüfter 8 angeordnet sein. Bei dieser Anordnung
umströmt die Kühlluft zunächst das Umrichtermodul 3, dann die
Luftblende 6 und anschließend den Bremswiderstand 9. Die
Luftblende 6 zwischen dem Bremswiderstand 9 und dem Umrich
termodul 3 bewirkt, daß keine Wärme vom Bremswiderstand zum
Umrichtermodul 3 zurückgestrahlt wird.
Die Achse des Wechselstrommotors 2 kann bei diesem Ausfüh
rungsbeispiel verkürzt werden, da kein Eigenlüfter 20 erfor
derlich ist. Aufgrund der damit verbundenen kürzeren Motor
achse verlängert sich die gesamte Antriebsvorrichtung durch
die Fremdlüftung nur geringfügig.
Der Drehzahlgeber 7 wird an einem Lager oder an dem Lager
schild des dem Umrichtermodul 3 zugewandten Endes des Wech
selstrommotors 2 angeordnet. Dabei kann das Lagerschild des
Motors in der Weise bearbeitet wie beispielsweise abgedreht
werden, daß der Drehzahlgeber unmittelbar am Lagerschild be
festigt werden kann. Als Drehzahlgeber 7 kann eine Licht
schranke, ein Resolver oder ein Magnetgeber (Hallsensor) ver
wendet werden.
Eine Drehzahlgeberschnittstelle sowie eine Drehzahlgeberspei
sung kann in dem Umrichtermodul 3 angeordnet sein und die
Verbindung zwischen dem Umrichtermodul 3 und dem Drehzahlge
ber 7 kann durch eine lösbare Steckverbindung so ausgeführt
sein, daß das Umrichtermodul 3 abnehmbar ist. Eine Drehzahl
geberscheibe kann senkrecht an einer Rotorachse des Wechsel
strommotors 2 befestigt und eine Detektoreinrichtung mit zu
gehöriger Elektronik zur Erfassung der Drehzahl in dem Um
richtermodul 3 integriert sein.
Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit Eigenlüfter
20 und Drehzahlgeber 7, wobei der Drehzahlgeber 7 zwischen
dem Eigenlüfter 20 und dem Lagerschild angeordnet ist.
Gemäß einem in Fig. 7 dargestellten vierten Ausführungsbeisp
iel ist das Umrichtermodul 3 unmittelbar an der Originallüf
terhaube 21 des Wechselstrommotors 2 angebracht. Somit ist
die modifizierte Lüfterhaube 4 hier nicht erforderlich. Der
Zwischenraum zwischen dem Umrichtermodul 3 und der Lüfter
haube 21 kann mit einer ringförmigen Abdeckung 25 beispiels
weise aus Kunststoff abgeschlossen werden, wobei das Umrich
termodul 3 mittels angeschweißten Laschen oder ähnlichen Trä
gerteilen fixierbar ist, die vorzugsweise von dem Wechsel
strommotor 2 thermisch entkoppelt sind.
Besondere Vorteile dieser Anordnung bestehen darin, daß eine
billige Standardlüfterhaube 21 eingesetzt werden kann, daß
die Form der Luftblende 6 automatisch an den vom Motorher
steller eingesetzten Lüfter 20 angepaßt ist und die Luftzir
kulation durch Form und Größe der Abdeckung 25 zusätzlich op
timiert werden kann.
Gemäß einem in Fig. 8 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel
ist das Umrichtermodul 3 nicht an der Lüfterhaube 2 angeord
net, sondern befindet sich innerhalb eines modifizierten Mo
torklemmkastens eines Normmotors 2.
Bei dieser Ausführungsform ist die Sicherstellung einer aus
reichenden Kühlung in allen Betriebszuständen entscheidend,
da die Kühlluft der Motoreigenlüftung das Umrichtermodul 3
nicht umströmt. Zur Vermeidung der bereits erläuterten Tempe
raturerhöhung bei einer Motorabschaltung, wird der Motor auch
im ausgeschalteten Zustand durch einen von dem Umrichtermodul
3 aus steuerbaren Fremdlüfter 8 solange gekühlt, bis die
Wicklungstemperatur unter einen Wert gesunken ist, der eine
zuverlässige Funktion der Umrichterbauteile gewährleistet.
Die Lüfterhaube 21 wird als Kühlkörper für das Umrichtermodul
3 verwendet, wobei die thermische Kopplung zwischen dem Um
richtermodul 3 und der Lüfterhaube 21 über ein Wärmeleitrohr
(Heatpipe) 22 erfolgen kann. Ferner wird das Umrichtermodul 3
durch eine Wärmesperre wie beispielsweise eine thermisch iso
lierende Schicht vom Statorgehäuse des Wechselstrommotors 2
thermisch entkoppelt.
Die Kühlrippen des Umrichtermoduls 3 sind vorzugsweise so
ausgestaltet, daß sie von den Kühlrippen des Wechselstrommo
tors 2 thermisch entkoppelt sind, wobei eine natürliche Kon
vektion sowohl bei horizontaler als auch bei vertikaler Befe
stigung des Motors 2 gewährleistet ist.
Claims (27)
1. Frequenzumrichter zur Steuerung einer Motordrehzahl
und/oder Motorleistung eines Wechselstrommotors (2),
dadurch gekennzeichnet, daß
der Frequenzumrichter als ein auf den Wechselstrommotor mon
tierbares Umrichtermodul (3) ausgebildet ist, dessen Träger
teil im montierten Zustand mit einer Lüfterhaube (21) des
Wechselstrommotors thermisch koppelbar oder selbst als Lüf
terhaube ausgebildet ist.
2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Umrichtermodul (3) Leistungsmodule eines Gleichrichters
(10) und eines Wechselrichters (12), Schutz- und Ansteuerein
richtungen (13), eine Istwerterfassungseinrichtung (14), eine
Steuereinrichtung und Hochfrequenzfiltereinrichtungen umfaßt.
3. Frequenzumrichter nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistungsmodule als Direkt- oder Matrixumrichter ausge
bildet sind.
4. Frequenzumrichter nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuereinrichtung sich solange in einem rückgesetzten Zu
stand befindet, bis eine minimale Betriebstemperatur erreicht
oder überschritten wird, wobei ein Heizvorgang vorgesehen
ist, während dem das Leistungsteil zur Erzeugung von Wärme in
dem Umrichtermodul (3) angesteuert wird, und wobei bei Errei
chen der minimalen Betriebstemperatur eine Bereitschaftsan
zeige erfolgt.
5. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
gekennzeichnet durch
eine thermisch nichtleitende Blende zur thermischen Entkopp
lung der Steuereinrichtung von den Leistungsmodulen.
6. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
gekennzeichnet durch
zwei Schichten von Vergußmassen zur thermischen Entkopplung
der Steuereinrichtung von den Leistungsmodulen, wobei die er
ste Vergußschicht thermisch schlecht leitend ist und auf ei
ner Innenwand des Umrichtermoduls im Bereich der Leistungsmo
dule zur Unterdrückung der Wärmerückstrahlung angeordnet ist
und wobei die zweite Vergußschicht thermisch gut leitend ist
und eine thermische Kopplung zu einem Teil einer Gehäuseau
ßenwand des Umrichtermoduls bewirkt, die zuerst durch eine
einströmende Kühlluft gekühlt wird.
7. Frequenzumrichter nach einem der vorgenannten Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Umrichtermodul (3) unmittelbar an der Lüfterhaube (21)
des Wechselstrommotors (2) befestigt ist.
8. Frequenzumrichter nach einem der vorgenannten
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Trägerteil des Umrichtermoduls (3) als abnehmbare modifi
zierte Lüfterhaube (4) des Wechselstrommotors (2) ausgebildet
ist, welche eine Normlüfterhaube (21) ersetzt.
9. Frequenzumrichter nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
die modifizierte Lüfterhaube (4) aus magnetisch abschirmendem
Material besteht.
10. Frequenzumrichter nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Umrichtermodul (3) am Ende der modifizierten Lüfterhaube
(4) angeordnet ist und seine Außenform der Form der modifi
zierten Lüfterhaube (4) folgt.
11. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die einem Lüfter (20) abgewandte Seite des Umrichtermoduls
(3) magnetisch abschirmend und thermisch leitend verschlossen
ist.
12. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse des Umrichtermoduls (3) Kühlrippen (23) aufweist,
die derart ausgestaltet sind, daß die von einem Lüfter (20)
des Wechselstrommotors (2) angesaugte Luft in der Weise kana
lisiert wird, daß die Luft im Bereich der Motorachse in den
Lüfter (20) einströmt und eine Zentrifugallüftung bewirkt.
13. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
gekennzeichnet durch
eine Kondensatorbank (11), die niederinduktiv mit den Lei
stungsmodulen verbunden ist und die in einem getrennten, mit
dem Gehäuse des Umrichtermoduls (3) und/oder der modifizier
ten Lüfterhaube (4) thermisch und konstruktiv gekoppelten Ge
häuse angeordnet ist.
14. Frequenzumrichter nach Anspruch 12,
gekennzeichnet durch
eine Kondensatorbank (11), die niederinduktiv mit den Lei
stungsmodulen verbunden und im Bereich der Kühlrippen (23)
des Umrichtermoduls (3) angeordnet ist.
15. Antriebsvorrichtung mit einem Wechselstrommotor und ei
nem Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur
Steuerung der Drehzahl und/oder Leistung des Wechselstrommo
tors (2),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lüfterhaube (4; 21) und das Trägerteil des Umrichtermo
duls (3) von dem Wechselstrommotor (2) thermisch entkoppelt
sind.
16. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Wechselstrommotor (2) als Asynchronmotor, Synchronmotor,
Reluktanzmotor oder Motor mit geschalteter Reluktanz ausge
bildet ist.
17. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Luftblende (6) vorgesehen ist, die die Wärmerückstrah
lung zu dem Umrichtermodul (3) verhindert, wobei Kühlkanäle
derart ausgebildet sind, daß eine von der Lage des Wechsel
strommotors (2) unabhängige Warmluftabfuhr gewährleistet ist.
18. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Wechselstrommotor (2) einen Fremdlüfter (8) aufweist, der
sowohl den Wechselstrommotor (2) als auch das Umrichtermodul
(3) kühlt, wobei der Fremdlüfter (8) durch das Umrichtermodul
(3) aktivierbar ist, so daß das Umrichtermodul auch bei ste
hendem Wechselstrommotor (2) kühlbar ist.
19. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Drehzahlgeber (7) in einem Lager oder einem Lagerschild
des Wechselstrommotors (2) integriert ist, wobei eine Dreh
zahlgeberschnittstelle sowie eine Drehzahlgeberspeisung in
dem Umrichtermodul (3) angeordnet sind und die Verbindung
zwischen dem Umrichtermodul (3) und dem Drehzahlgeber (7)
durch eine lösbare Steckverbindung so ausgeführt ist, daß das
Umrichtermodul (3) abnehmbar ist, und wobei eine Drehzahlge
berscheibe senkrecht an einer Rotorachse des Wechselstrommo
tors (2) befestigt ist und eine Detektoreinrichtung mit zuge
höriger Elektronik zur Erfassung der Drehzahl in dem Umrich
termodul (3) integriert ist.
20. Antriebsvorrichtung mit einem Norm-Wechselstrommotor
(2) und einem Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1
bis 6 zur Steuerung der Drehzahl und/oder Leistung des Norm-
Wechselstrommotors (2),
dadurch gekennzeichnet, daß
das Umrichtermodul (3) an der Stelle eines Klemmkastens des
Norm-Wechselstrommotors (2) angeordnet ist.
21. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine wärmeleitende Verbindung (22) zur Wärmeabfuhr zwischen
dem Umrichtermodul (3) und einer als Kühlkörper dienenden
Lüfterhaube (21) des Wechselstrommotors (2) vorgesehen ist.
22. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21,
gekennzeichnet durch
einen Fremdlüfter (8), der auch bei ausgeschaltetem Wechsel
strommotor (2) durch das Umrichtermodul (3) steuerbar ist.
23. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22,
gekennzeichnet durch
eine Wärmesperre zur thermischen Entkopplung des Umrichtermo
duls (3) von einem Stator des Wechselstrommotors (2), wobei
die Kühlrippen (23) des Umrichtermoduls (3) von denen des
Wechselstrommotors (2) thermisch entkoppelt und derart ange
ordnet sind, daß eine natürliche Konvektion sowohl bei hori
zontaler als auch bei vertikaler Lage des Wechselstrommotors
(2) ermöglicht ist.
24. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Statorwicklungen des Wechselstrommotors (2) in Stern ge
schaltet sind, je ein Meßwiderstand zur Messung eines Strom-
Istwertes in Reihe zwischen eine entsprechende Statorwicklung
und den Sternpunkt geschaltet ist, und der Sternpunkt als Be
zugspotential für eine Elektronik des Umrichtermoduls (3)
dient.
25. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßwiderstände in dem Umrichtermodul (3) angeordnet sind
und die Verbindung der Statorwicklungen zum Sternpunkt in dem
Wechselstrommotor (2) erfolgt.
26. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßwiderstände in einem Klemmkasten des Wechselstrommo
tors (2) angeordnet sind und die Verbindung der Statorwick
lungen zum Sternpunkt ebenfalls in dem Klemmkasten erfolgt.
27. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19,
gekennzeichnet durch
einen Bremswiderstand (9), der auf dem Trägerteil des Umrich
termoduls (3) angeordnet ist und mit dem Umrichtermodul (3)
eine Baueinheit in der Form bildet, daß die Kühlluft zuerst
das Umrichtermodul (3), dann den Bremswiderstand (9) und an
schließend den Wechselstrommotor (2) kühlt, wobei die Luft
blende (6) zwischen dem Bremswiderstand (9) und dem Umrich
termodul (3) angeordnet ist, so daß keine Wärme vom Bremswi
derstand zum Umrichtermodul (3) zurückgestrahlt wird.
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