EP1281189B1 - Steuereinrichtung - Google Patents

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EP1281189B1
EP1281189B1 EP01942967A EP01942967A EP1281189B1 EP 1281189 B1 EP1281189 B1 EP 1281189B1 EP 01942967 A EP01942967 A EP 01942967A EP 01942967 A EP01942967 A EP 01942967A EP 1281189 B1 EP1281189 B1 EP 1281189B1
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EP
European Patent Office
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switchgear apparatus
power module
control device
electronic power
housing
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EP01942967A
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Walter Apfelbacher
Norbert Reichenbach
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
    • H01H50/02—Bases; Casings; Covers
    • H01H50/021—Bases; Casings; Covers structurally combining a relay and an electronic component, e.g. varistor, RC circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H50/00—Details of electromagnetic relays
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means

Definitions

  • the invention relates to a control device with a electromagnetic switchgear, which is a switchgear housing with an extended one for fastening the switchgear Has bottom wall, which is the base area of the switching device, and with one electrically connected to the switching device electronic power module with a module housing for Soft start of a motor or a group of motors, whereby the Switchgear serves as an electrical bridging unit electronic power module on the switching device on its the side facing away from the bottom wall, and wherein the Width b of the power module is the width of the base area of the switching device.
  • a control device which consists of an electronic Power module and a separate commercially available Contactor is set up.
  • an engine will be the semiconductor valves of the electronic power module through phase control operated.
  • the contactor's takeover of the current as simplified in the single-phase electrical circuit shown in FIG 1 is.
  • the losses of a contactor in stationary ON mode approx. 1/10 of the losses of power semiconductors.
  • FIG. 1 The known control devices are shown in FIG commercially available contactor and an electronic arranged next to it Power module constructed as separate components, which are electrically interconnected.
  • EP 0 680 145 B1 is a control device of the above known type known. With this control device controlled the semiconductors so that during the very short Switching on and off phases only a minimal voltage at the mechanical switch contacts occurs. This will make the electrical life of the switch contacts is significantly increased. The duration of the on and off phases is very short, i.e. only a few network periods, so very little Power loss occurs in the semiconductors. With an engine control unit however, start-up and shutdown processes occur, which can last from a few seconds to a few minutes. During these control processes are exclusive the semiconductor elements in use with the consequence accordingly high losses which are dissipated via suitable cooling measures Need to become.
  • the invention is therefore based on the object of a control device of the above type with a commercially available Switching device and an electronic power module to create for longer start-up and run-down processes suitable is.
  • control device exists if this as a through the switchgear housing and the module housing encapsulated to the outside Engine control unit is executed and if only from the outside Connection rails of the electronic power module and Connection rails of the switchgear are accessible.
  • Execution can be used for the connection of the control device Connection rails of the electronic power module or the connection rails of the switchgear or both are used become.
  • the pitch of the connecting rails remains of the switching device received what a replacement of the switching device made possible by the higher-quality control device.
  • This version corresponds advantageously to that of electrical switching devices, especially contactors, usual Type where only the connecting rails are accessible from the outside are.
  • Another advantageous embodiment of the invention consists of if the connecting rails of the electronic power module and the connection rails of the switching device electrical and mechanical connection of both components serve.
  • the sectional view of the control device 1 according to the invention 3 shows a commercially available contactor 2 with one on it attached power module 3, e.g. for a soft start Motors or a group of motors.
  • the control device can can also be used as a hybrid contactor.
  • the Contactor 2 is an electromagnetic switching device with a Switchgear housing 4, which has a bottom wall 5, which in their extended area with boreholes, not shown here is provided for fastening the contactor 2.
  • the contactor 2 is an electromagnet system on the bottom wall 5 6 arranged, the anchor with a contact carrier 7 is connected, via the movable contacts 8 with fixed contacts 9 are switchable.
  • Contactor 2 is connected accessible from outside the switchgear housing 4 Connection rails 10, which are electrically connected to the fixed contacts 9 are connected.
  • the contact system 8.9 is in an upper one Area of contactor 2 switching chamber 11 with here Arc guide plates, not shown.
  • On the contactor 2 is on its side facing away from the bottom wall 5 the electronic power module 3 with its module housing 12 placed.
  • the interior of the module housing 12 contains three chambers 13, each with an electronic Switching unit for one of the three electrical phases of the three-phase system used for the supply.
  • the electronic switching units are in sandwich construction two copper plates 14 arranged in parallel, between which by means of a clamping device 20 two electrically power semiconductors 15 connected in antiparallel are.
  • the upper copper plate 14 is in compliance the lowest possible heat transfer resistance with a Heatsink 16 firmly connected. Via on the side of the module housing 12 of each chamber 13 attached fans 17, the heat is dissipated.
  • Connection rail 18 connected in the space between the switchgear housing 4 and the module housing 12 and flat on one of the two connecting rails 10 of the contactor 2 rests.
  • the connecting rails 18 exist Made of good heat-conducting material, which means that the continuous current capacity the contactor 2 is increased.
  • the connecting rails 18 of the electronic power module or the connecting rails 10 of the switching device or both can be used. This keeps the pitch the connecting rails of the switchgear get what a replacement of the switching device by the higher-quality control device allows.
  • 4 and 5 each show a perspective view of the Control device 1 according to the invention in a compact design, 4 shows the module housing 12 and in FIG 5 only the Lid of the module housing 12 is removed.
  • the compact structure of the control device 1 according to the invention is essentially possible because the power loss the electronic switching units avoided in continuous operation becomes. For this, the electronic switching units bridged by the contacts 8,9 of the contactor 2 (FIG 3).
  • the above-described compact structure of the motor device with the electronic power module placed on the contactor represents an optimization of the construction volume in which its Circumferential contour, the base contour of the contactor 2 at none Position exceeds 30% and / or its width the width b of the contactor 2 does not exceed.
  • This is based on of FIG 6 illustrates that the base contour of Contactor 2 is represented by the solid line and the Circumferential contour of the electronic power module 3 through the dashed line.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung mit einem elektromagnetischen Schaltgerät, das ein Schaltgerätegehäuse mit einer zur Befestigung des Schaltgeräts erweiterten Bodenwand aufweist, die die Grundfläche des Schaltgeräts bilet, und mit einem mit dem Schaltgerät elektrisch verbundenen elektronischen Leistungsmodul mit einem Modulgehäuse zum Sanftanlauf eines Motors oder einer Motorengruppe, wobei das Schaltgerät als elektrische Überbrückungseinheit dient, das elektronische Leistungsmodul auf das Schaltgerät auf seiner der Bodenwand abgewandten Seite aufgesetzt ist, und wobei die Baubreite b des Leistungsmoduls die Breite der Grundfläche des Schaltgeräts nicht überschreitet.
Bekannt ist eine Steuereinrichtung, die aus einem elektronischen Leistungsmodul und einem separaten handelsüblichen Schütz aufgebaut ist. Zum Sanftanlauf und bei drehzahlgesteuertem Betrieb eines Motors werden die Halbleiterventile des elektronischen Leistungsmoduls durch Phasenanschnittsteuerung betrieben. Bei Erreichen des stationären Betriebs des Motors erfolgt durch Überbrückung mit dem mechanischen Schaltkontakt des Schützes die Übernahme des Stroms wie vereinfacht in der einphasigen elektrischen Schaltung nach FIG 1 dargestellt ist. Im Vergleich zu elektronischen Motorsteuergeräten ohne Überbrückung entstehen deutlich geringere Verluste. Die Verluste eines Schützes betragen im stationären EIN-Betriebszustand ca. 1/10 der Verluste von Leistungshalbleitern. Durch geeignetes Ansteuern von Schütz und elektronischem Leistungsteil durch die Steuereinheit des elektronischen Leistungsteils während des Übergangs vom drehzahlgesteuerten Betrieb in den stationären Betrieb, vom stationären Betrieb in den drehzahlgesteuerten Betrieb und vom stationären Betrieb in den AUS-Zustand kann die Lichtbogenbelastung der Schützkontakte auf ein Mindestmaß beschränkt werden und damit die Schaltlebensdauer der Kontakte bis in den Bereich der mechanischen Schaltlebensdauer des Schützes erhöht werden.
Die bekannten Steuereinrichtungen sind gemäß FIG 2 mit einem handelsüblichen Schütz und einem daneben angeordneten elektronischen Leistungsmodul als separate Komponenten aufgebaut, die elektrisch miteinander verschaltet werden.
Aus der EP 0 680 145 B1 ist eine Steuereinrichtung der oben genannten Art bekannt. Bei dieser Steuereinrichtung werden die Halbleiter so angesteuert, dass während der sehr kurzen Ein- und Ausschaltphasen nur eine minimale Spannung an den mechanischen Schaltkontakten auftritt. Hierdurch wird die elektrische Lebensdauer der Schaltkontakte erheblich vergrößert. Die Dauer der Ein- und Ausschaltphasen ist sehr kurz, d.h. nur wenige Netzperioden, so dass auch nur sehr wenig Verlustleistung in den Halbleitern entsteht. Bei einem Motorsteuergerät treten jedoch Anlauf- und Auslaufvorgänge auf, die von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten dauern können. Während dieser Steuerungsvorgänge sind ausschließlich die Halbleiterelemente im Einsatz mit der Folge entsprechend hoher Verluste die über geeignete Kühlmaßnahmen abgeführt werden müssen.
Daher liegt der Erfindung der Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung der oben genannten Art mit einem handelsüblichen Schaltgerät und einem elektronischen Leistungsmodul zu schaffen, das für länger andauernde Anlauf- und Auslaufvorgänge geeignet ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Durch die Anordnung des elektronischen Leistungsmoduls auf dem Schütz ergibt sich bei der Montage in einem Schaltschrank der Vorteil, dass die durch das elektronische Leistungsmodul erzeugte Verlustwärme gut und ohne Beeinflussung anderer Geräte abgeführt werden kann.
Dadurch, dass der Innenraum des Modulgehäuses drei gegeneinander isolierte Kammern aufweist, in denen jeweils eine elektronische Schalteinheit angeordnet ist, wird ein Übergreifen eines Fehlers einer elektronischen Schalteinheit auf eine benachbarte elektronische Schalteinheit auf diese Weise vermieden.
Eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung besteht, wenn diese als ein durch das Schaltgerätegehäüse und das Modulgehäuse nach außen hin gekapseltes Motorsteuergerät ausgeführt ist und wenn von außen lediglich Verbindungsschienen des elektronischen Leistungsmoduls und Anschlussschienen des Schaltgeräts zugänglich sind. Je nach Ausführung können für den Anschluss der Steuereinrichtung die Verbindungsschienen des elektronischen Leistungsmoduls oder die Anschlussschienen des Schaltgeräts oder aber beide verwendet werden. Hierdurch bleibt das Teilungsmaß der Anschlussschienen des Schaltgeräts erhalten, was einen Ersatz des Schaltgeräts durch die höherwertige Steuereinrichtung ermöglicht.
Diese Ausführung entspricht in vorteilhafter Weise der bei elektrischen Schaltgeräten, insbesondere Schützen, üblichen Art, wo lediglich die Anschlussschienen von außen her zugänglich sind.
Ist das elektronische Leistungsmodul formschlüssig auf das Schaltgerätegehäuse aufgesetzt, so ergibt sich bereits durch den Formschluss eine feste mechanische Verbindung zwischen beiden Komponenten, so dass zusätzliche kosten- und montageaufwendige Verbindungsmittel erspart bleiben.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht, wenn die Verbindungsschienen des elektronischen Leistungsmoduls und die Anschlussschienen des Schaltgeräts zur elektrischen und mechanischen Verbindung beider Komponenten dienen.
Hinsichtlich der Anordnung der elektronischen Schalteinheiten und ihres Anschlusses an die Anschlussschienen des Schaltgerätes ist es von Vorteil, wenn diese nach einem Teilungsmaß angeordnet sind und diesem die Lage der Kammern angepasst ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die elektronischen Schalteinheiten jeweils zwischen zwei Metallplatten hoher Wärmeleitfähigkeit eingespannte elektrisch antiparallel geschaltete Halbleiterzellen aufweisen, da bei dieser Ausführung die Metallschienen nicht nur zur Stromübertragung, sondern auch zur Wärmeabführung dienen.
Eine zusätzliche Verbesserung der Wärmeabführung wird dadurch erzielt, wenn die Verbindungsschienen eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Die beschriebenen Maßnahmen zur möglichst optimalen Abfuhr der Verlustwärme ermöglichen, die Komponenten des elektronischen Leistungsmoduls entsprechend kompakt anzuordnen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1
eine einphasige elektrische Schaltung zur Darstellung der prinzipiellen Wirkungsweise einer Steuereinrichtung,
FIG 2
eine bekannte Anordnung aus einem dreiphasigen Schütz und einem separaten elektronischen Sanftstartgerät,
FIG 3
eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung,
FIG 4
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung im dreiphasigen Aufbau mit abgenommenem Modulgehäuse,
FIG 5
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung mit abgenommenem Deckel und
FIG 6
beispielhaft die Grundflächen- und Umfangkontur bei Draufsicht auf eine Steuereinrichtung nach FIG 3,4,5.
Die Schnittansicht der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 gemäß FIG 3 zeigt ein handelsübliches Schütz 2 mit einem darauf aufgesetzten Leistungsmodul 3, z.B. zum Sanftanlauf eines Motors oder einer Motorengruppe. Die Steuereinrichtung kann auch in der Anwendung als Hybrid-Schütz betrieben werden. Das Schütz 2 ist ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einem Schaltgerätegehäuse 4, das eine Bodenwand 5 aufweist, die in ihrem erweiterten Bereich mit hier nicht dargestellten Bohrlöchern zur Befestigung des Schützes 2 versehen ist. Im Innenraum des Schützes 2 ist auf der Bodenwand 5 ein Elektromagnetsystem 6 angeordnet, dessen Anker mit einem Kontaktträger 7 verbunden ist, über den bewegliche Kontakte 8 mit Festkontakten 9 schaltbar sind. Der Anschluss des Schützes 2 erfolgt über außerhalb des Schaltgerätegehäuses 4 zugängliche Anschlussschienen 10, die mit den Festkontakten 9 elektrisch verbunden sind. Das Kontaktsystem 8,9 ist in einer im oberen Bereich des Schützes 2 liegenden Schaltkammer 11 mit hier nicht dargestellten Lichtbogenleitblechen untergebracht. Auf das Schütz 2 ist auf seiner der Bodenwand 5 abgewandten Seite das elektronische Leistungsmodul 3 mit seinem Modulgehäuse 12 aufgesetzt. Der Innenraum des Modulgehäuses 12 beinhaltet drei Kammern 13, in denen sich jeweils eine elektronische Schalteinheit für jeweils eine der drei elektrischen Phasen des zur Versorgung dienenden Drehstromsystems befindet. Die elektronischen Schalteinheiten sind in Sandwichbauweise mit zwei parallelangeordneten Kupferplatten 14 aufgebaut, zwischen denen mittels einer Einspannvorrichtung 20 zwei elektrisch antiparallel geschaltete Leistungshalbleiter 15 eingespannt sind. Die obere Kupferplatte 14 ist unter Einhaltung eines möglichst geringen Wärmeübergangswiderstandes mit einem Kühlkörper 16 fest verbunden. Über seitlich am Modulgehäuse 12 jeder Kammer 13 angebrachte Lüfter 17 erfolgt die Wärmeabführung. An die Kupferplatten 14 ist jeweils eine L-förmige Verbindungsschiene 18 angeschlossen, die im Zwischenraum zwischen dem Schaltgerätegehäuse 4 und dem Modulgehäuse 12 geführt ist und flächig auf einer der beiden Anschlussschienen 10 des Schützes 2 aufliegt. Die Verbindungsschienen 18 bestehen aus gut wärmeleitendem Material, wodurch die Dauerstromtragfähigkeit des Schützes 2 erhöht wird.
Je nach Ausführung können für den Anschluss der Steuereinrichtung die Verbindungsschienen 18 des elektronischen Leistungsmoduls oder die Anschlussschienen 10 des Schaltgeräts oder aber beide verwendet werden. Hierdurch bleibt das Teilungsmaß der Anschlussschienen des Schaltgeräts erhalten, was einen Ersatz des Schaltgerät durch die höherwertige Steuereinrichtung ermöglicht.
FIG 4 und 5 zeigen jeweils eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 in kompakter Bauweise, wobei in FIG 4 das Modulgehäuse 12 und in FIG 5 lediglich der Deckel des Modulgehäuses 12 abgenommen ist.
Der kompakte Aufbau der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 1 wird im wesentlichen dadurch möglich, dass die Verlustleistung der elektronischen Schalteinheiten im Dauerbetrieb vermieden wird. Hierzu werden die elektronischen Schalteinheiten durch die Kontakte 8,9 des Schützes 2 (FIG 3) überbrückt.
Für den Anlauf und den drehzahlgesteuerten Betrieb übernehmen die elektronische Leistungshalbleiter 15 (FIG 3) als Schaltelemente die Schaltaufgabe, während im Dauerbetrieb lediglich das Schütz 2 (FIG 3) den Strom führt. Die Anlaufbelastung bei einem Sanftanlauf wird bestimmt durch den Startstrom und die Startdauer. Im Vergleich zu elektronischen Motorsteuergeräten ohne Überbrückung entstehen bei der vorliegenden Steuereinrichtung deutlich geringere Verluste, da die Verluste des Schützes 2 im stationären EIN-Betriebszustand nur 1/10 der Verluste von Leistungshalbleiten betragen.
Der vorbeschriebene kompakte Aufbau der Motoreinrichtung mit dem auf das Schütz aufgesetzten elektronischen Leistungsmodul stellt eine Optimierung des Bauvolumens dar, bei dem seine Umfangskontur die Grundflächenkontur des Schützes 2 an keiner Stelle um mehr als 30 % überschreitet und/oder seine Breite die Breite b des Schützes 2 nicht überschreitet. Dies ist anhand der FIG 6 verdeutlicht, die die Grundflächenkontur des Schützes 2 durch die durchgezogene Linie wiedergibt und die Umfangskontur des elektronischen Leistungsmoduls 3 durch die gestrichelte Linie.

Claims (6)

  1. Steuereinrichtung mit einem elektromagnetischen Schaltgerät (2), das ein Schaltgerätegehäuse (4) mit einer zur Befestigung des Schaltgeräts (2) erweiterten Bodenwand (5) aufweist, die die Grundfläche des Schaltgeräts (2) bildet, und mit einem mit dem Schaltgerät (2) elektrisch verbundenen elektronischen Leistungsmodul (3) mit einem Modulgehäuse (12), z.B. zum Sanftanlauf eines Motors oder einer Motorengruppe, wobei das Schaltgerät (2) als elektrische Überbrückungseinheit des elektronischen Leistungsmoduls (3) dient, das elektronische Leistungsmodul (3) auf das Schaltgerät (2) auf seiner der Bodenwand (5) abgewandten Seite aufgesetzt ist, und wobei die Baubreite b des Leistungsmoduls (3) die Breite der Grundfläche des Schaltgeräts (2) nicht überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Modulgehäuses (12) drei gegeneinander isolierte Kammern (13) aufweist, in denen jeweils eine elektronische Schalteinheit angeordnet ist, dass die elektronischen Schalteinheiten jeweils zwischen zwei Metallplatten (14) hoher Wärmeleitfähigkeit eingespannte elektrisch antiparallel geschaltete Halbleiterzellen (15) aufweisen, dass eine der Metallplatten (14) mit einem Kühlkörper (16) verbunden ist und dass in jeder der Kammern (13) ein Lüfter (17) angeordnet ist.
  2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als ein durch das Schaltgerätegehäuse (4) und das Modulgehäuse (12) nach außen hin gekapseltes Motorsteuergerät ausgeführt ist und dass von außen lediglich Verbindungsschienen (18) des elektronischen Leistungsmoduls (3) und Anschlussschienen (10) des Schaltgeräts (2) zugänglich sind.
  3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Leistungsmodul (3) formschlüssig auf das Schaltgerätegehäuse (4) aufgesetzt ist.
  4. Steuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschienen (18) des elektronischen Leistungsmoduls (3) und die Anschlussschienen (10) des Schaltgeräts (2) zur elektrischen und mechanischen Verbindung beider Komponenten dienen.
  5. Steuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschienen (18) des elektronischen Leistungsmoduls (3) nach einem Teilungsmaß des Schaltgeräts (2) angeordnet sind und diesem die Lage der Kammern (13) angepasst ist.
  6. Steuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschienen (18) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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