DE4209167A1

DE4209167A1 - Switching and monitoring circuit for ind. electrical drive - uses semiconductor power switches to provide all switching and monitoring functions allowing electrical programming of drive regulation.

Info

Publication number: DE4209167A1
Application number: DE4209167A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Haber; Wolfgang Dipl Ing Lengemann; Stefan Dipl Ing Steingens
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-03-20
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1993-09-23

Abstract

The circuit is used for a drive with an operating voltage of above 60 V and uses redundant semiconductor switches (11...18) instead of mechanical switches, breaker switches and motor protection switches, controlled in dependence on monitored operating parameters. The semiconductor switches are suitable for an operating range between 60 and 1200 V and are mounted on a common circuit board with control and monitoring circuits using standard components. The circuit may be housed in the terminal box for the drive, or lie in the cooling air stream for the latter provided by a fan. ADVANTAGE - Provides built-in redundancy for reliable automatic shut-down of drive with compact relatively low-cost circuit.

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.The invention relates to a switching and monitoring unit for electric drives with operating voltages over 60 V, especially for auxiliary and auxiliary drives, the elek trical drives, switching elements, for. B. power switching elements, protective circuit elements etc. and, if applicable, power converters exhibit.

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.Electric drives are in a variety of designs knows. A selection is shown in the publication "Speed Ver changeable drives in practice - drive technology with System "from Siemens AG, Order No. A19100-E319-A365-V1. The described in the publication, often in connection with Converters operated, drives are in voltage range between 110 and 1200 V. Your control and regulation often takes place in connection with power semiconductors in Form of field effect transistors (FET). Typical examples of FETs already used in drive technology shows an essay in the above script, title: "Power semiconductors for drive technology" on the Pages 14 to 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.The many different drives for industrial Common in the 110 to 1200 V range is that they are up to forth with mechanical or electromechanical disconnectors and motor protection switches (contactors). The like switch, which usually together in control cabinets are quantified, which in today's single drives Machines can assume considerable size by half The main task of the Invention. It should also be specified where this Semiconductor switching elements are to be arranged advantageously. Des Another is a selection of the many advantageous possibilities which are in connection with semiconductor switching elements instead of shooters can be specified.

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.The main task is solved in that the electrical Drives switching and monitoring units instead of mecha African switch (contactors), especially instead of isolating switches and motor protection switches, at least partially have redundant semiconductor switching elements in which actual states occurring during operation are tapped and Monitoring elements or circuits are abandoned. Through at least partially redundant semiconductor switching elements te, their condition (current, voltage, temperature, switching status etc.) continuously tapped, monitored and corrected if necessary gier, can advantageously meet the security requirements electric drives operating in the range above 60 V work, are fully taken into account. By the at least partially redundant structure can be achieved that z. B. even when burned single semiconductor switch elements a safe, automatic shutdown of the on drives is guaranteed. This is especially true when half conductor switching elements with different characteristics or Control algorithms are used.

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.The space requirement of semiconductor switching elements is advantageous is very low. The usual control cabinets can significantly reduced or even completely saved. Since control cabinets are still largely handmade today and installed by hand, whereas half conductor switching elements as mass production products at least semi-advantageous but fully automated, mon not connected and connected insignificant cost advantage. Furthermore, it also results an advantage in switching behavior (ramp function) and esp special the possibility of using the semiconductor switching elements So far, monitoring and monitoring systems have been spatially separated Connect control elements or these in the switching integrate elements. Surprisingly, this results in despite higher costs for semiconductor switching elements in the Ver to protect a significantly cheaper overall solution. The total price of a drive solution can be reduced will.

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.In an embodiment of the invention it is provided that the Switching and monitoring unit in the area of the drive is arranged and, especially effective in terms of cooling technology, solid is connected to it, being a particularly cheap one Solution is an arrangement in the terminal box of the drive poses. From DE-34 43 024 A1 it is already known Electronic components for variable speed electric motors in an enlarged terminal box or in a terminal housing box cultivation. Attaching the electronics can also be such according to this document that it from Cooling air flow is cooled. A replacement of the previous one Contactor cabinets is suggested by the Solution not possible.

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. The same applies to that disclosed in DE-36 02 606 A1 Solution with a heat-insulated, separate connection terminals box in which a converter of relatively low power is housed and the terminal box for heat line should have a ribbed cover. Also the DE-29 08 936 A1 only discloses an electrical type powered with a control device that with the drive too a structural unit is summarized. A replacement of the conventional control cabinet is therefore in the prior art not provided and also by the known solutions technical impossible.

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.In the context of the invention it is further provided that the Switching and monitoring unit a technical, in particular which forms a thermal unit with the drive or that they are in a version in which they are driven is spatially separated, in one by a fan painted, or at least freely flowable, area a control cabinet is arranged. Doing so will partially solving the problem of removing the occurring Heat loss, at the current state of semiconductor technology, for example 3 W / A, solved, because the already existing cooling and outside ribbing of the electric motor, or a separate cooling separate arrangement, advantageous for the removal of Ver lust heat provides. Drives of the "Speed ver changeable drives in practice - drive technology with System "are described in the composite solution without further able to handle the additional cooling capacity due to the occurrence of the heat loss is necessary bring to. When attaching the power semiconductors in The Konvek is sufficient for control cabinets tion, with larger outputs a small fan for Dissipation of heat loss. It should be borne in mind that in In the course of semiconductor development in the future with steadily falling power losses can be expected or that this in the further course of semiconductor development towards zero will go.

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.The power semiconductors are advantageous with monitoring, Condition correction and protection circuits on one conductor plate arranged, especially in the standard size is forming. This results in semi or fully automatic adjustable electronic modules that perform the respective tasks optimally adapted, inexpensive to manufacture. The switching power semiconductors themselves form e.g. B. advantage three-phase full bridges, one or each transistor have multiple monitoring taps. For the over monitoring, status correction and protection functions requirements-based designs corresponding to those from the Literature on power electronics known versions chosen.

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.Power semiconductors also become advantageous more complex control circuits connected, which are advantageous per programmable, especially electrically programmable forms are. One is easily accessible for such circuits arrangement on the inside of the terminal box cover advantageous, with a spatial separation from the Lei device semiconductors, for example through a heat insulation layer can be provided. This kind of functional Separation of the circuit areas does not change the reason idea of the integrated structure of drive and switch elements still leads to relevant additional costs.

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:The invention is explained in more detail with reference to a drawing, from the as well as from the description and the Unteran sayings, further details, also essential to the invention are removable. In detail shows:

Fig. 1 einen schematisiert dargestellten, gekühlten Elektromotor, Fig. 1 is a schematically illustrated, cooled electric motor,

Fig. 2 eine Prinzipschaltung des redundanten Aufbaus der Halbleiterschaltelemente und einer Überwachungs schaltung sowie Fig. 2 shows a basic circuit of the redundant structure of the semiconductor switching elements and a monitoring circuit and

Fig. 3 bis 10 aus der Fachliteratur bekannte Halbleiter schaltelemente, die im Zusammenhang mit der Erfindung vorteilhaft einsetzbar sind. Fig. 3 to 10 semiconductor switching elements known from the literature, which can be used advantageously in connection with the invention.

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.In Fig. 1, 1 denotes the housing of an electric motor with the foot 2. The housing 1 can be ribbed or non-ribbed and carries at any point, for. B. above or on one of the two sides, a terminal box 3 with a lid 4th In the terminal box 3 , which, as indicated, can be enlarged compared to a normal terminal box, the semiconductor switching elements can be found. The semiconductor switching elements are preferably connected directly to the housing 1 for better heat dissipation, while the circuits, in particular reprogrammable control and regulating circuits, are advantageously arranged in the cover 4 , where they are particularly accessible. The cover 4 can be smooth or ribbed and an insulation layer can be arranged between the control circuit board and the power semiconductors. Such assembly details depend on the task. The power supply and a control signal cable lead into the terminal box 3 .

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.The electric motor carries a fan wheel 6 in a housing 5 in a known manner on a shaft end. The fan wheel 6 is used for cooling in a known manner. If a particularly intensive cooling of the power semiconductors should be necessary, these can advantageously also directly in the area of the cooling air flow, for. B. can be arranged at the inner positions 8 . This is also a normal measure.

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.In FIG. 2, 11 and 12 denote redundant semiconductor switching units which are arranged directly in the current path 26 , 27 . The semiconductor switching units, which are preferably designed as FET three-phase full bridges, have monitoring elements 15 , 16 , 17 and 18 , which act on control logic 13 and 14 for the semiconductor switching units 11 and 12 . With this fully redundant design, security can be achieved that is at least not inferior to the security of electromechanical components. The burning of consecutively connected semiconductor switching elements takes place one after the other, so there is always a switch-off time. The failure probability of contactor control circuits and power semiconductor control circuits is equally small. When using power semiconductors with characteristic divergence and / or different control algorithms, an improvement in switching reliability can therefore be achieved. The U. Occasional "sticking" of contactors is impossible with power semiconductors.

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.Optionally, the switching and monitoring elements 11 to 18 also have a control unit 22 with which special safety requirements can be realized. This control unit only needs to be present once. The above circuit parts are advantageously arranged on a circuit board 10 , which is designed in particular as a standard circuit board. It has digital and analog inputs 19 , 20 , 21 and 28 which advantageously have optocouplers, that is to say they are potential-free. The circuit board 10 can optionally be supplemented by a corresponding control circuit board.

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. 3 shows an FET with integrated temperature sensor (TEMPFET). The principle of the TEMPFET works like a temperature-controlled thyristor. If a certain temperature threshold is exceeded, it becomes conductive and remains so until the power is interrupted. The sensor is galvanically isolated from the field effect transistor.

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. 4 shows a sense MOSFET, which is also referred to as SENSE-FET. This transistor has two additional outputs TS and IS. A voltage can be tapped at TS which corresponds to the internal temperature of the transistor. A voltage corresponding to the transistor current forms at IS. In conjunction with an additional circuit for monitoring these voltages, the transistor can be protected against overload. Field effect transistors can also be provided with far more extensive protective circuits.

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. Fig. 5 shows a TEMPFET with galvanically Associated temperature sensor. With a resistor in the GATE circuit, the transistor can be easily protected against short circuit, overload and over temperature. A Zener diode protects the GATES against overvoltage and can increase the switching speed if the input voltage U _{E is} sufficient. If the temperature rises, the GATE is short-circuited and the transistor is switched off.

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.In Fig. 6, designation of this transistor PPOFET, extensive internal protection mechanisms are shown. The black box L & S combines a range of logic sensor and protective circuits. Such switches were previously only for an appli cation at low voltages below 60 V, but they can also be carried out for higher voltages. The following functions can be implemented:
Overvoltage protection, overtemperature protection, fast short-circuit protection (monitoring of the voltage drop across the transistor) load interruption detection, if necessary, output current limitation for loads with high inrush currents; Under voltage shutdown; Overvoltage shutdown; electrostatic discharge protection; Reverse polarity protection; Status output for reporting errors, load status output.

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.Furthermore, the formation of such FET's as multi-phase field-effect transistor bridges is possible ( FIG. 7). With such bridges pulse inverters can be built. The three-phase consumer is connected to the connections U, V, W, while the connections P and N have direct voltage. The transistors are controlled in a known manner with an alternating pulse width in such a way that sinusoidal voltage results after filtering. In the same version, single-phase and multi-phase half-bridges are realizable. To control such arrangements, data buses are advantageously used, e.g. B. the well-known SINEC bus. The tap connections are marked 31 to 42 .

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.Field effect transistors for higher voltages have a relatively high switch-on resistance, which leads to corresponding voltage and current heat losses. Bipolar and field effect transistors are combined to switch higher voltages. This version is called IGBT. Fig. 8 shows a circuit diagram of an IGBT in general form. Such switching elements can be used up to 1200 V. In addition to the emitter and collector connection of the bipolar transistor, there is a GATE connection for voltage control. The component therefore requires no control current and no control power (for static operation).

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.Another embodiment of such a FET can be seen from FIG. 9, which is also referred to as COMFET. In principle, this transistor consists of a thyristor with a very large holding current and a field-effect high-voltage transistor, which, however, manages with a smaller control current.

Fig. 10 zeigt das Ersatzschaltbild eines derartigen span nungsgesteuerten Bipolar-Transistors. Fig. 10 shows the equivalent circuit diagram of such a voltage-controlled bipolar transistor.

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.Semiconductor development is far from over closed. The above selection is therefore a hint for to understand the specialist, to select according to requirements. It is understood that with the selection the appropriate logic circuits are connected. These are also the specialist, who is familiar with the design of power electronics, common. Regardless of further development, that too will involve inventive steps, however even with the already existing semiconductor switching elements Surprisingly safe possible, the conventional switching cabinets, the necessity of which depends in particular on the is represented by beneficial authorities.

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.With the same or even higher security than the previous ones Conventional solutions can be found in the solution according to the invention all necessary switching functions in the area of the drives expire. This applies to both 110/220 and 380 as well as for 500 and 1000 V. The prevailing opposite opinion is not applicable, it is based on a prejudice.

Claims

1. Switching and monitoring unit for electrical drives with operating voltages above 60 V, in particular for auxiliary and auxiliary drives, the electrical drives switching elements, for. B. power switching elements, protective circuit elements, etc. and possibly have converters, characterized in that they have at least partially redundant semiconductor switching elements, instead of mechanical switches, in particular instead of isolating switches and motor circuit breakers (contactors), in which actual states occur during operation tapped and monitoring elements or circuits ( 13 - 18 , 22 ) are given up.

2. Switching and monitoring unit according to claim 1, there characterized in that in the Be Range of the drive arranged, especially cooling technology effective, firmly connected to it.

3. Switching and monitoring unit according to claim 1 or 2, characterized in that it is arranged in the terminal box ( 3 ) of the drive.

4. switching and monitoring unit according to claim 1 or 2, characterized in that at positively ventilated drives in the cooling air flow area of the An Drive is arranged.

5. Switching and monitoring unit according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that it a technical, especially thermal, unit with forms the drive.

6. Switching and monitoring unit according to claim 1, there characterized in that they are dated Drive is arranged spatially separate, for. B. in one of a fan-coated area of a control cabinet.

7. switching and monitoring unit according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized in that it has power semiconductors which are designed for the working range from 60 to 1200 V and preferably with control and monitoring circuits ( 13 - 18 , 22 ) are arranged on a printed circuit board ( 10 ), which is designed in particular as a standard component.

8. Switching and monitoring unit according to claim 1, 2, 3, 4, 5 6 or 7, characterized in that the power semiconductor at least one current sensor and have a temperature sensor, and preferably as SENSE-MOSFET's are formed.

9. switching and monitoring unit according to claim 1, 2, 3, 4, 5 6, 7 or 8, characterized in that the power semiconductors have a short-circuit, overload and / or have overtemperature protection circuit (TEMPFET).

10. switching and monitoring unit according to one or more of the preceding claims, characterized in that the power semiconductor forming the three-phase full-bridge, and preferably each FET a Überwachungsabgriff (31-42) have.

11. Switching and monitoring unit after one or more of the preceding claims, thereby ge indicates that it is an integrated, pro programmable electronic control and / or regulation, e.g. B. a speed or torque control for the Has run-up and / or work.

12. Switching and monitoring unit for an electrical Drive motor with electronic switching elements according to a or more of the preceding claims, characterized characterized that instead of electro mechanical switching elements (contactors), in particular for Auxiliary and auxiliary drives are used.

13. Switching and monitoring unit after one or more of the preceding claims, thereby characterized that they, especially at Haupt drives, power switching elements with divergent characteristics lines and / or different control algorithms having.

14. Switching and monitoring unit for electric drives, characterized in that it has an output current limitation, a load interruption detection, undervoltage and, if necessary, overvoltage detection circuits and possibly electrostatic discharge protection, reverse polarity protection, a status output for reporting errors, etc., which are preferably arranged on one or more standard boards in the area of the drive housing, preferably in the terminal box ( 3 ).

15. Switching and monitoring unit according to claim 13, characterized in that it is involved in the cooling of the electric drive, in particular the dissipation of heat via heat dissipation through the drive housing ( 1 ).