STEUEREINRICHTUNG

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] Diese Ausführung entspricht in vorteilhafter Weise der bei elektrischen Schaltgeräten, insbesondere Schützen, üblichen Art, wo lediglich die Anschlussschienen von außen her zugänglich sind.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] Eine zusätzliche Verbesserung der Wärmeabführung wird dadurch erzielt, wenn die Verbindungsschienen eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

[0015] Die beschriebenen Maßnahmen zur möglichst optimalen Abfuhr der Verlustwärme ermöglichen, die Komponenten des elektronischen Leistungsmoduls entsprechend kompakt anzuordnen.

[0016] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

Ansprüche

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.

Claims

1. A control device with an electromagnetic switchgear apparatus (2), which has a switchgear apparatus housing (4) with a bottom wall (5), which is extended for the purpose of fixing the switchgear apparatus (2) and forms the base area of the switchgear apparatus (2), and with an electronic power module (3) - electrically connected to the switchgear apparatus (2) - with a module housing (12), e.g. for the soft starting of a motor or a group of motors, the switchgear apparatus (2) serving as electrical bridging unit of the electronic power module, the electronic power module (3) being placed onto the switchgear apparatus (2) on its side remote from the bottom wall (5), and the structural width b of the power module (3) not exceeding the width of the base area of the switchgear apparatus (2), characterized in that the internal space of the module housing (12) has three mutually insulated chambers (13), in each of which an electronic switching unit is arranged, in that the electronic switching units each have semiconductor cells (15) which are electrically connected back-toback and are clamped in between two metal plates (14) of high thermal conductivity, in that one of the metal plates (14) is connected to a heat sink (16), and in that a fan (17) is arranged in each of the chambers (13).

2. The control device as claimed in claim 1, characterized in that it is embodied as a motor control unit encapsulated toward the outside by the switchgear apparatus housing (4) and the module housing (12), and in that only connecting rails (18) of the electronic power module (3) and connection rails (10) of the switchgear apparatus (2) are accessible externally.

3. The control device as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the electronic power module (3) is placed onto the switchgear apparatus housing (4) in a positively locking manner.

4. The control device as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the connecting rails (18) of the electronic power module (3) and the connection rails (10) of the switchgear apparatus (2) serve for electrically and mechanically connecting both components.

5. The control device as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the connecting rails (18) of the electronic power module (3) are arranged according to a pitch of the switchgear apparatus (2) and the position of the chambers (13) is adapted thereto.

6. The control device as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the connecting rails (18) have a high thermal conductivity.

Revendications

1. Dispositif de commande comprenant un organe (2) électromagnétique de manoeuvre qui a un boîtier (4) d'organe de manoeuvre ayant une paroi (5) de fond élargie pour la fixation de l'organe (2) de manoeuvre et formant la surface de base de l'organe (2) de manoeuvre, et comprenant un module (3) électronique de puissance relié électriquement à l'organe (2) de manoeuvre et ayant un boîtier (12) de module, par exemple pour le démarrage doux d'un moteur ou d'un groupe de moteurs, l'organe (2) de manoeuvre servant d'unité de shuntage électronique du module (3) électronique de puissance, le module (3) électronique de puissance étant posé sur l'organe (2) de manoeuvre sur sa face éloignée de la paroi (5) de fond et la largeur b de construction du module (3) de puissance ne dépassant pas la largeur de la surface de base de l'organe (2) de manoeuvre, caractérisé en ce que l'intérieur du boîtier (12) de module comporte trois chambres (13) isolées mutuellement dans lesquelles est disposée, respectivement, une unité électronique de commutation, en ce que les unités électroniques de commutation ont, respectivement, des cellules (15) à semi-conducteurs montées tête-bêche électriquement et encastrées, respectivement, entre deux plaques (14) métalliques de grande conductivité thermique, en ce que l'une des plaques (14) métalliques est reliée à un dispositif (16) de refroidissement et en ce qu'un ventilateur (17) est disposé dans chacune des chambres (13).

2. Dispositif de commande suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un appareil de commande de moteur encapsulé vers l'extérieur par le boîtier (4) de l'organe de manoeuvre et par le boîtier (12) du module et en ce que sont accessibles de l'extérieur seulement des rails (18) de liaison du module (3) électronique de puissance et des rails (10) de connexion de l'organe (2) de manoeuvre.

3. Dispositif de commande suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le module (3) électronique de puissance est posé à complémentarité de forme sur le boîtier (4) de l'organe de manoeuvre.

4. Dispositif de commande suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les rails (18) de liaison du module (3) électronique de puissance et les rails (10) de connexion de l'organe (2) de manoeuvre servent à la liaison électrique et mécanique des deux composants.

5. Dispositif de commande suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les rails (18) de liaison du module (3) électronique de puissance sont disposés suivant un pas de l'organe (2) de manoeuvre et la position des chambres (13) est adaptée à ce pas.

6. Dispositif de commande suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les rails (18) de liaison ont une grande conductivité thermique.

Zeichnung