DE4209167A1 - Schalt- und ueberwachungseinheit fuer elektrische antriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalt- und Überwachungseinheit für elektrische Antriebe mit Betriebsspannungen über 60 V, insbesondere für Hilfs- und Nebenantriebe, wobei die elek­ trischen Antriebe, Schaltelemente, z. B. Leistungsschaltele­ mente, Schutzschaltungselemente etc. und ggf. Stromrichter aufweisen.

Elektrische Antriebe sind in vielfältiger Ausgestaltung be­ kannt. Eine Auswahl zeigt die Druckschrift "Drehzahlver­ änderbare Antriebe in der Praxis - Antriebstechnik mit System" der Siemens AG, Bestell-Nr. A19100-E319-A365-V1. Die in der Druckschrift beschriebenen, häufig in Verbindung mit Stromrichtern betriebenen, Antriebe liegen im Spannungs­ bereich zwischen 110 und 1200 V. Ihre Steuerung und Regelung erfolgt häufig in Verbindung mit Leistungshalbleitern in Form von Feldeffekttransistoren (FET). Typische Beispiele von in der Antriebstechnik bereits jetzt verwendeter FET′s zeigt ein Aufsatz in der obengenannten Schrift, Titel: "Leistungshalbleiter für die Antriebstechnik", auf den Seiten 14 bis 19.

Den vielen unterschiedlichen Antrieben für industrielle Zwecke im 110 bis 1200 V-Bereich ist gemeinsam, daß sie bis­ her mit mechanischen oder elektromechanischen Trennschaltern und Motorschutzschaltern (Schütze) ausgerüstet wurden. Der­ artige Schalter, die in der Regel in Schaltschränken zusam­ mengefaßt sind, die bei den heutigen Einzelantrieben an Maschinen erhebliche Größe annehmen können, durch Halb­ leiterschaltelemente zu ersetzen, ist Hauptaufgabe der Erfindung. Dabei soll auch angegeben werden, wo diese Halbleiterschaltelemente vorteilhaft anzuordnen sind. Des­ weiteren soll eine Auswahl der vielen vorteilhaften Möglich­ keiten, die sich in Verbindung mit Halbleiterschaltelementen anstelle von Schützen ergeben können, angegeben werden.

Die Hauptaufgabe wird dadurch gelöst, daß die elektrischen Antriebe Schalt- und Überwachungseinheiten anstelle mecha­ nischer Schalter (Schütze), insbesondere anstelle von Trenn­ schaltern und Motorschutzschaltern, zumindest teilweise redundante Halbleiterschaltelemente aufweisen, bei denen sich im Betrieb einstellende Ist-Zustände abgegriffen und Überwachungselementen bzw. Schaltungen aufgegeben werden. Durch zumindest teilweise redundante Halbleiterschaltelemen­ te, deren Zustand (Strom, Spannung, Temperatur, Schaltzu­ stand etc.) laufend abgegriffen, überwacht und ggf. korri­ giert wird, kann vorteilhaft den Sicherheitsanforderungen an elektrische Antriebe, die im Bereich oberhalb von 60 V arbeiten, vollständig Rechnung getragen werden. Durch den zumindest teilweise redundanten Aufbau kann erreicht werden, daß z. B. auch bei festgebrannten Einzel-Halbleiterschalt­ elementen eine sichere, automatische Abschaltung der An­ triebe gewährleistet ist. Dies insbesondere, wenn Halb­ leiterschaltelemente mit unterschiedlichen Kennlinien oder Ansteuerungsalgorithmen verwendet werden.

Der Platzbedarf von Halbleiterschaltelementen ist vorteil­ haft sehr gering. Die bisher üblichen Schaltschränke können erheblich verkleinert oder sogar völlig eingespart werden. Da Schaltschränke heute noch weitgehend in Handarbeit her­ gestellt und von Hand installiert werden, wohingegen Halb­ leiterschaltelemente als Großserienerzeugnisse zumindest halb- vorteilhaft jedoch vollautomatisch hergestellt, mon­ tiert und angeschlossen werden können, ergibt sich ein nicht unerheblicher Kostenvorteil. Darüber hinaus ergibt sich auch ein Vorteil im Schaltverhalten (Rampenfunktion) und insbe­ sondere die Möglichkeit, die Halbleiterschaltelemente mit bisher räumlich getrennt angeordneten Überwachungs- und Kontrollelementen zu verbinden bzw. diese in die Schalt­ elemente zu integrieren. Überraschenderweise ergibt sich so trotz höherer Kosten für Halbleiterschaltelemente im Ver­ gleich zu Schützen eine erheblich kostengünstigere Gesamt­ lösung. Der Gesamtpreis einer Antriebslösung kann gesenkt werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schalt- und Überwachungseinheit im Bereich des Antriebs angeordnet ist und, insbesondere kühltechnisch wirksam, fest mit diesem verbunden ist, wobei eine besonders günstige Lösung eine Anordnung im Klemmenkasten des Antriebs dar­ stellt. Aus der DE-34 43 024 A1 ist es zwar bereits bekannt, Elektronikbauteile für drehzahlregelbare Elektromotore in einem vergrößerten Klemmenkasten oder in einem Klemm­ enkastenanbau unterzubringen. Die Anbringung der Elektronik kann nach dieser Schrift auch derart sein, daß sie vom Kühlluftstrom gekühlt wird. Ein Ersatz der bisherigen Schützschaltschränke ist jedoch durch die vorgeschlagene Lösung nicht möglich.

Das gleiche gilt für die in der DE-36 02 606 A1 offenbarte Lösung mit einem wärmeisolierten, separaten Anschlußklemmen­ kasten, in dem ein Stromrichter relativ kleiner Leistung untergebracht ist und wobei der Klemmenkasten zur Wärmeab­ leitung einen gerippten Deckel aufweisen soll. Auch die DE-29 08 936 A1 offenbart lediglich einen elektrischen An­ trieb mit einer Steuereinrichtung, die mit dem Antrieb zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt ist. Ein Ersatz des herkömmlichen Schaltschranks ist im Stand der Technik also nicht vorgesehen und durch die bekannten Lösungen auch technisch nicht möglich.

Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß die Schalt- und Überwachungseinheit eine technische, insbeson­ dere eine wärmetechnische, Einheit mit dem Antrieb bildet oder daß sie in einer Ausführung, in der sie vom Antrieb räumlich getrennt angeordnet ist, in einem von einem Lüfter bestrichenen, oder zumindest frei umströmbaren, Bereich eines Steuerschranks angeordnet wird. Hierdurch wird vor­ teilhaft einfach das Problem der Abfuhr der auftretenden Verlustwärme, beim jetzigen Stand der Halbleitertechnik etwa 3 W/A, gelöst, da die ohnehin vorhandene Kühlung und Außen­ verrippung des Elektromotors, bzw. eine separate Kühlung bei getrennter Anordnung, vorteilhaft für die Abfuhr der Ver­ lustwärme sorgt. Antriebe der in der Schrift "Drehzahlver­ änderbare Antriebe in der Praxis - Antriebstechnik mit System" beschriebenen Art sind bei der Verbundlösung ohne weiteres in der Lage, die zusätzliche Kühlleistung, die durch das Auftreten der Verlustwärme notwendig ist, auf­ zubringen. Bei dem Anbringen der Leistungshalbleiter in Steuerschränken genügt bei kleinen Leistungen die Konvek­ tion, bei größeren Leistungen ein kleiner Ventilator zur Abführung der Verlustwärme. Dabei ist zu bedenken, daß im Zuge der Halbleiterentwicklung in Zukunft mit stetig ab­ sinkenden Verlustleistungen zu rechnen ist bzw. daß diese im weiteren Verlauf der Halbleiterentwicklung gegen Null gehen werden.

Die Leistungshalbleiter werden vorteilhaft mit Überwachungs-, Zustandskorrektur- und Schutzschaltungen auf einer Leiter­ platte angeordnet, die insbesondere in Standardgröße ausge­ bildet wird. So ergeben sich halb- oder vollautomatisch her­ stellbare elektronische Module, die den jeweiligen Aufgaben optimal angepaßt, kostengünstig hergestellt werden können. Die Schalt-Leistungshalbleiter selbst bilden z. B. vorteil­ haft Dreiphasen-Vollbrücken, die je Transistor einen oder mehrere Überwachungsabgriffe aufweisen. Für die Über­ wachungs-, Zustandskorrektur- und Schutzfunktionen werden anforderungsgerechte Ausführungen entsprechend den aus der Literatur über Leistungselektronik bekannten Ausführungen gewählt.

Vorteilhaft werden mit den Leistungshalbleitern auch ein­ fachere Regelungsschaltungen verbunden, die vorteilhaft pro­ grammierbar, insbesondere elektrisch programmierbar ausge­ bildet sind. Für derartige Schaltungen ist eine gut zugäng­ liche Anordnung an der Innenseite des Klemmenkastendeckels vorteilhaft, wobei eine räumliche Trennung von den Lei­ stungshalbleitern, etwa durch eine Wärmeisolationsschicht vorgesehen werden kann. Diese Art der funktionsgerechten Trennung der Schaltungsbereiche verändert weder den Grund­ gedanken des integrierten Aufbaus von Antrieb und Schalt­ elementen noch führt sie zu relevanten Mehrkosten.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, aus der ebenso wie aus der Beschreibung und den Unteran­ sprüchen, weitere, auch erfindungswesentliche, Einzelheiten entnehmbar sind. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 einen schematisiert dargestellten, gekühlten Elektromotor,

Fig. 2 eine Prinzipschaltung des redundanten Aufbaus der Halbleiterschaltelemente und einer Überwachungs­ schaltung sowie

Fig. 3 bis 10 aus der Fachliteratur bekannte Halbleiter­ schaltelemente, die im Zusammenhang mit der Erfindung vorteilhaft einsetzbar sind.

In Fig. 1 bezeichnet 1 das Gehäuse eines Elektromotors mit dem Fuß 2. Das Gehäuse 1 kann verrippt oder unverrippt sein und trägt an beliebiger Stelle, z. B. oben oder an einer der beiden Seiten, einen Klemmenkasten 3 mit einem Deckel 4. In dem Klemmenkasten 3, der ggf., wie angedeutet, gegenüber einem normalen Klemmenkasten vergrößert werden kann, be­ finden sich die Halbleiterschaltelemente. Die Halbleiter­ schaltelemente werden vorzugsweise zur besseren Wärmeabfuhr direkt mit dem Gehäuse 1 verbunden, während die Schaltungen, insbesondere reprogrammierbare Steuer- und Regelschaltungen, vorteilhaft in dem Deckel 4 angeordnet werden, wo sie be­ sonders gut zugänglich sind. Der Deckel 4 kann glatt oder verrippt ausgebildet sein und zwischen der Steuer- und Regelschaltungsplatine und den Leistungshalbleitern kann noch eine Isolationsschicht angeordnet werden. Derartige Montagedetails sind aufgabenabhängig. In den Klemmenkasten 3 führt das Energieversorgungs- und ein Steuersignalkabel.

Der Elektromotor trägt in bekannter Weise auf einem Wellen­ ende ein Lüfterrad 6 in einem Gehäuse 5. Das Lüfterrad 6 dient in bekannter Weise der Kühlung. Falls eine besonders intensive Kühlung der Leistungshalbleiter notwendig sein sollte, können diese vorteilhaft auch im Bereich des Kühl­ luftstroms direkt, z. B. an den Innenpositionen 8 angeordnet werden. Auch dies ist eine im Rahmen des Üblichen liegende Maßnahme.

In Fig. 2 bezeichnen 11 und 12 redundante Halbleiterschalt­ einheiten, die direkt in dem Strompfad 26, 27 angeordnet werden. Die Halbleiterschalteinheiten, die vorzugsweise als FET-Dreiphasen-Vollbrücken ausgebildet sind, weisen Über­ wachungselemente 15, 16, 17 und 18 auf, die auf Ansteuer­ logiken 13 und 14 für die Halbleiterschalteinheiten 11 und 12 wirken. Durch diese, voll redundante Ausbildung ist eine Sicherheit erreichbar, die der Sicherheit von elektromecha­ nischen Komponenten zumindest nicht nachsteht. Das Festbren­ nen von hintereinandergeschalteten Halbleiterschaltelementen erfolgt allenfalls nacheinander, so steht immer Abschaltzeit zur Verfügung. Die Versagenswahrscheinlichkeit von Schütz­ steuerschaltungen und Leistungshalbleitersteuerschaltungen ist gleich klein. Bei der Verwendung von Leistungshalb­ leitern mit Kennliniendivergenz und/oder unterschiedlichen Ansteuerungsalgorithmen ist daher eine Verbesserung der Schaltsicherheit erreichbar. Das u. U. auftretende "Kleben" von Schützen ist bei Leistungshalbleitern unmöglich.

Optionell besitzen die Schalt- und Überwachungselemente 11 bis 18 noch eine Kontrolleinheit 22, mit der besondere Sicherheitsanforderungen realisiert werden können. Diese Kontrolleinheit braucht nur einmal vorhanden zu sein. Die vorstehenden Schaltungsteile sind vorteilhaft auf einer Platine 10 angeordnet, die insbesondere als Standardplatine ausgebildet ist. Sie besitzt digitale und analoge Eingänge 19, 20, 21 und 28, die vorteilhaft Optokoppler aufweisen, also potentialfrei ausgebildet sind. Die Platine 10 kann ggf. durch eine entsprechende Steuerungsplatine ergänzt werden.

Fig. 3 zeigt ein FET mit integriertem Temperatursensor (TEMPFET). Der TEMPFET arbeitet dem Prinzip nach wie ein temperaturgesteuerter Thyristor. Bei Überschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle wird er leitend und bleibt dies bis zur Stromunterbrechung. Der Sensor ist vom Feld­ effekttransistor galvanisch getrennt.

Fig. 4 zeigt ein Sense-MOSFET, der auch als SENSE-FET be­ zeichnet wird. Dieser Transistor hat zwei zusätzliche Aus­ gänge TS und IS. An TS kann eine Spannung abgenommen werden, die der inneren Temperatur des Transistors entspricht. An IS bildet sich eine Spannung entsprechend dem Transistorstrom. In Verbindung mit einer zusätzlichen Schaltung zum Über­ wachen dieser Spannungen kann der Transistor vor Überlastung geschützt werden. Feldeffekttransistoren können auch noch mit weitaus umfangreicheren Schutzbeschaltungen versehen werden.

Fig. 5 zeigt nun ein TEMPFET mit galvanisch verbundenem Temperatursensor. Durch einen Widerstand im GATE-Kreis ist der Transistor einfach gegen Kurzschluß, Überlast und Über­ temperatur zu schützen. Eine Z-Diode dient dem Schutz des GATES gegen Überspannung und kann bei ausreichender Ein­ gangsspannung U_E die Schaltgeschwindigkeit erhöhen. Bei Übertemperatur wird das GATE kurzgeschlossen und damit der Transistor ausgeschaltet.

In Fig. 6, Bezeichnung dieses Transistors PPOFET, werden umfangreiche innere Schutzmechanismen gezeigt. Die black box L & S vereint eine Reihe von Logik-Sensor- und Schutzschal­ tungen. Derartige Schalter waren bisher nur für eine Anwen­ dung bei Niedrigspannungen unterhalb 60 V üblich, sie sind jedoch auch für höhere Spannungen ausführbar. Folgende Fun­ ktionen sind verwirklichbar:
Überspannungsschutz, Übertemperaturschutz, schneller Kurz­ schlußschutz (Überwachung des Spannungsabfalls über dem Transistor) Lastunterbrechungserkennung, dazu ggf. Ausgangs­ strombegrenzung für Last mit hohen Einschaltströmen; Unter­ spannungsabschaltung; Überspannungsabschaltung; elektro­ statischer Entladungsschutz; Verpolungsschutz; Statusausgang zur Meldung von Fehlern, Laststatusausgang.

Desweiteren ist die Ausbildunq derartiqer FET′s als Mehr­ phasen-Feldeffekttransistor-Brücken möglich (Fig. 7). Mit derartigen Brücken können Pulswechselrichter aufgebaut werden. Der Drehstromverbraucher wird mit den Anschlüssen U,V,W verbunden, während an den Anschlüssen P und N Gleich­ spannung liegt. Die Transistoren werden in bekannter Weise mit wechselnder Pulsbreite so angesteuert, daß sich nach einer Filterung sinusförmige Spannung ergeben. In gleicher Ausführung sind Einphasen- und Mehrphasenhalbbrücken ver­ wirklichbar. Zur Ansteuerung derartiger Anordnungen werden vorteilhaft Datenbusse eingesetzt, z. B. der bekannte SINEC-Bus. Die Abgriffanschlüsse sind mit 31 bis 42 be­ zeichnet.

Feldeffekttransistoren für höhere Spannungen weisen einen relativ hohen Einschaltwiderstand auf, der zu entsprechenden Spannungs- und Stromwärmeverlusten führt. Zum Schalten höhe­ rer Spannungen werden Bipolar- und Feldeffekt-Transistoren miteinander vereint. Diese Ausführung hat die Bezeichnung IGBT. Fig. 8 zeigt ein Schaltbild eines IGBT in allgemeiner Form. Derartige Schaltelemente sind bis zu 1200 V verwend­ bar. Neben dem Emitter- und Kollektor-Anschluß des Bipolar- Transistors gibt es einen GATE-Anschluß zur Spannungsan­ steuerung. Das Bauelement benötigt daher (für den statischen Betrieb) keinen Steuerstrom und keine Steuerleistung.

Aus Fig. 9 ist eine andere Ausführung eines derartigen FET′s zu sehen, der auch als COMFET bezeichnet wird. Dieser Tran­ sistor besteht im Prinzip aus einem Thyristor mit sehr großem Haltestrom sowie aus einem Feldeffekt-Hochspannungs­ transistor, der allerdings mit einem kleineren Steuerstrom auskommt.

Fig. 10 zeigt das Ersatzschaltbild eines derartigen span­ nungsgesteuerten Bipolar-Transistors.

Die Halbleiterentwicklung ist bei weitem noch nicht abge­ schlossen. Die vorstehende Auswahl ist daher als Hinweis für den Fachmann zu verstehen, anforderungsgerecht auszuwählen. Es versteht sich, daß mit der Auswahl die passenden Logik­ schaltungen verbunden sind. Auch diese sind dem Fachmann, der mit dem Entwurf von Leistungselektroniken vertraut ist, geläufig. Unabhängig von der weiteren Entwicklung, die auch erfinderische Schritte mit sich bringen wird, ist es jedoch schon mit den bereits vorhandenen Halbleiterschaltelementen überraschend sicher möglich, die herkömmlichen Schalt­ schränke, deren Notwendigkeit insbesondere von den Auf­ sichtsbehörden vertreten wird, vorteilhaft zu ersetzen.

Bei gleicher oder sogar höherer Sicherheit als bei den her­ kömmlichen Lösungen können bei der erfindungsgemäßen Lösung alle notwendigen Schaltfunktionen im Bereich der Antriebe ablaufen. Dies gilt sowohl für 110/220 und 380 als auch für 500 und 1000 V. Die vorherrschende gegenteilige Meinung ist nicht zutreffend, sie beruht auf einem Vorurteil.

Claims (15)

1. Schalt- und Überwachungseinheit für elektrische Antriebe mit Betriebsspannungen über 60 V, insbesondere für Hilfs- und Nebenantriebe, wobei die elektrischen Antriebe Schalt­ elemente, z. B. Leistungsschaltelemente, Schutzschaltungs­ elemente etc. und ggf. Stromrichter aufweisen, da­ durch gekennzeichnet, daß sie anstelle mechanischer Schalter, insbesondere anstelle von Trennschal­ tern und Motorschutzschaltern (Schütze), zumindest teilweise redundante Halbleiterschaltelemente aufweist, bei denen sich im Betrieb einstellende Ist-Zustände abgegriffen und Überwachungselementen bzw. Schaltungen (13-18, 22) aufge­ geben werden.

2. Schalt- und Überwachungseinheit nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß sie im Be­ reich des Antriebs angeordnet, insbesondere kühltechnisch wirksam, fest mit diesem verbunden ist.

3. Schalt- und Überwachungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Klemmenkasten (3) des Antriebs angeordnet ist.

4. Schalt- und Überwachungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei zwangsbelüfteten Antrieben im Kühlluftstrombereich des An­ triebs angeordnet ist.

5. Schalt- und Überwachungseinheit nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine technische, insbesondere wärmetechnische, Einheit mit dem Antrieb bildet.

6. Schalt- und Überwachungseinheit nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß sie vom Antrieb räumlich getrennt angeordnet ist, z. B. in einem von einem Lüfter bestrichenen Bereich eines Steuerschranks.

7. Schalt- und Überwachungseinheit nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Leistungshalbleiter aufweist, die für den Arbeits­ bereich von 60 bis 1200 V ausgelegt sind und vorzugsweise mit Kontroll- und Überwachungsschaltungen (13-18, 22) auf einer Leiterplatte (10) angeordnet sind, die insbesondere als Standardbauelement ausgebildet wird.

8. Schalt- und Überwachungseinheit nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter zumindest einen Stromsensor und einen Temperatursensor aufweisen, und vorzugsweise als SENSE-MOSFET′s ausgebildet sind.

9. Schalt- und Überwachungseinheit nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter eine Kurzschluß-, Überlast- und/oder Übertemperatur-Schutzschaltung aufweisen (TEMPFET).

10. Schalt- und Überwachungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter Dreiphasen-Vollbrücken bilden und vorzugsweise je FET einen Überwachungsabgriff (31-42) aufweisen.

11. Schalt- und Überwachungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie eine integrierte, pro­ grammierbare elektronische Steuerung und/oder Regelung, z. B. eine Geschwindigkeits- oder Drehmomentenregelung für den Hochlauf und/oder den Arbeitsbetrieb aufweist.

12. Schalt- und Überwachungseinheit für einen elektrischen Antriebsmotor mit elektronischen Schaltelementen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie anstelle von elektro­ mechanischen Schaltelementen (Schütze), insbesondere für Hilfs- und Nebenantriebe, verwendet wird.

13. Schalt- und Überwachungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie, insbesondere bei Haupt­ antrieben, Leistungsschaltelemente mit divergierenden Kenn­ linien und/oder unterschiedlichen Ansteuerungsalgorithmen aufweist.

14. Schalt- und Überwachungseinheit für elektrische Antrie­ be, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ausgangsstrombegrenzung, eine Lastunterbrechungs­ erkennung, Unter- und ggf. Überspannungsdetektionsschaltun­ gen sowie ggf. einen elektrostatischen Entladungsschutz, einen Verpolungsschutz, einen Statusausgang zur Meldung von Fehlern etc. aufweist, die vorzugsweise auf einer oder mehreren Standardplatinen im Bereich des Antriebsgehäuses, vorzugsweise im Klemmenkasten (3), angeordnet sind.

15. Schalt- und Überwachungseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie in die Kühlung des elektrischen Antriebs einbezogen ist, wobei insbesondere die Verlustwärmeabfuhr über eine Wärmeableitung durch das Antriebsgehäuse (1) erfolgt.