带集成动态负载控制的驱动装置的制作方法

本发明涉及带集成动态负载控制的驱动装置。

背景技术：

从现有技术中已知过载离合器，即自动离合器，这种离合器通过传递的扭矩控制。过载离合器例如在传动系中耦合在电机和被驱动的机械负载之间，以保护传动系的组件。过载离合器，在过载的情况下，将电机从其余传动系上断开。

从现有技术中已知其他不同实施方式的电机保护电路，这些实施方式在电机过载的情况下引发电机的自动关闭。这些电机保护电路在此安排在连接侧，即电压供应和电机之间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种带集成动态负载控制的驱动装置，并且由此可在传动系中省去在电机和机械负载之间的机械过载离合器。其他目的从以下说明中得出。

根据本发明的一个方面，交流电异步电机是采用星形接法的交流电异步电机。

交流电异步电机一般来说具有三条相线。每条相线可包括定子的一个场绕组，或取决于极对数也可包括定子的多个场绕组。

如果交流电异步电机中的这些相线采用星形接法相连，则这些相线分别具有至少一个场绕组，该场绕组带有一个外部导体侧的绕组始端和位于场绕组另一侧的绕组末端。与绕组末端耦合的星形导线共同延伸到一个公共星形接点并且在那里相连。

优选地，交流电异步电机是电网馈电的交流电异步电机。换言之，交流电异步电机优选地直接，即无需变频器地，与交流电网相连。

根据本发明的另一个方面，带集成动态负载控制的驱动装置包括一个负载控制电路。

该负载控制电路可具有一个控制模块和至少一个第一电流表、至少一个第一电压表和至少一个第一半导体开关和一个第二半导体开关。

第一电流表可以为此设计成，采集电机的第一相线中的第一线电流。

第一电压表可以为此设计成，采集第一相线上的第一线电压。

控制模块可以为此设计成，借助于第一线电流和第一线电压计算第一相线的有功功率并且尤其地电机的总有功功率。有功功率和尤其地总有功功率是有关传动系利用率和功能是否正确的好的指标(包括被驱动的机械负载的功能是否正确)。

根据本发明的另一个方面，第一半导体开关和第二半导体开关可在三条相线的两条中安排在分别的绕组末端和星形接点之间。换言之，分别的半导体开关可在相线中安排在场绕组的星形侧。同样地，适用于别的相线中的别的半导体开关。

在电网侧上游连接有半导体开关的场绕组形成了对电网中的干扰因素(如电压峰等)的有效保护。半导体开关的开关过程由此与馈电电网去耦合。由此可选择带有更低电压强度(例如<1kv)的半导体，如triac(英语：triodeforalternatingcurrent，中文：三端双向交流开关)。

根据本发明的另一个方面，控制模块可设计成，借助于第一半导体开关和第二半导体开关中断三条相线中的至少两条。如果发现错误的运行状态，控制模块可然后借助于半导体开关中断至少两条相线。例如，这可涉及传动系或被驱动的机械负载的过载或受阻。同样地，可适用于别的相线。

根据本发明的另一个方面，控制模块通过将测量或计算的特征值与预先规定的极限值作对比来识别错误的运行状态。极限值可以是可设置的；尤其为了调整极限值使其适应于被驱动的机械负载的负载曲线。示例性地，特征值可为线电流。

有利地，控制模块也可从线电压和线电流中计算相线的瞬时有功功率。通过将所有相线的瞬时有功功率相加，可进一步计算电机的总有功功率。

此外，可从电机的总有功功率和转速中确定驱动装置、电机和/或传动系或其组件的输出扭矩，并且替代性地也可确定被驱动的机械负载的消耗的扭矩。

如果获取的相线的有功功率、电机的总有功功率或从总有功功率中计算出的扭矩超出对应的(可设置的)预先规定的极限值，则控制模块触发至少第一半导体开关和第二

半导体开关，从而电气中断三条相线中的至少两条。

如果获取仅一条相线中的线电压和线电流，则为了确定总有功功率，需通过交流电系统的一半的周期时间或一半的周期时间倍数求积分。测量可在此在每个任意时间点开始和结束。换言之，测量可独立于交流电的相位发生。然而前提条件是，测量时段等于一半的周期时间或一半的周期时间的倍数。由此得出时间延迟为至少一半的周期时间，例如在50hz交流电系统中为10ms。

如果然而获取所有相线中的线电压和线电流，则可通过将瞬时线电流和线电压线相乘并且接着加上瞬时线有功功率来确定总有功功率。总有功功率的确定因而可有利地针对每个时间点且几乎立即地确定。

在单相测量时，可因而以大约10ms的间隔识别过载。可利用根据本发明的负载控制电路以小于20ms的间隔进行断路。负载控制电路的小于60ms以及有利地小于大约30ms的非常短的反应时间出人意料地足够用于在故障情况下保护传动系和尤其地也保护被驱动的机械负载免受损坏。

在所有相上进行多相测量时，可甚至几乎无延迟地识别过载。断路可在大约10ms之内发生。

根据本发明的另一个有利的方面，负载控制电路可另外具有一个通讯模块。通讯模块可为此设计成，将驱动特征数据和/驱动状态数据传输给远程系统。该

通讯模块可另外为此设计成，接收远程系统的控制数据。

通讯模块可为此具有一个通讯接口。

通过通讯接口，通讯模块可与远程系统通讯。例如，通讯接口可连接至总线系统、网络或点对点连接，例如在io-link中。

驱动特征数据可包括驱动装置的电子铭牌的电机特征数据和/或变速器特征数据。驱动特征数据可在此相当于“eci@ss”分级。

驱动状态数据可包括负载曲线数据和/或状态数据，用于前瞻性的维修(磨损参数)。

根据另一个有利的方面，驱动装置可设计成，借助于远程系统的控制数据在功率上受控，并且尤其地被接通和关闭。

通过通讯模块，驱动装置适应“工业4.0”的要求。通过调查负载曲线，可在了解历史数据的情况下判断未来的能量需求。通过这些数据，可优化所需的能量需求。

根据另一个有利的方面，可在非易失性存储器中保存驱动特征数据。非易失性存储器可直接安排在驱动装置中或驱动装置上。非易失性存储器可保留在驱动装置上，甚至当例如负载控制电路因为受损的原因而必须更换时。负载控制电路可适配为，读出非易失性存储器并且应用驱动特征数据。

根据本发明的另一个有利的方面，第一电表可设计和安排成，在绕组末端和星形接点之间采集第一相线中的第一线电流。换言之，整个电表或电表的至少一个电流测量探头可在场绕组的星形侧安排在绕组末端和星形接点之间。

根据本发明的另一个有利的方面，第一电表可借助于第一分流器获取第一线电流。第一分流器可在第一相线中串联地安排在绕组末端和星形接点之间。通过分流电阻的电流测量相对简单。在大驱动功率时，分流器上的功耗然而相对大。在大驱动功率时，线电流因此优选地根据另一种测量原理来获取。

出于这个原因，在大驱动功率(多千瓦；例如驱动功率大于3kw的电机)时，仅在一条相线中获取线电流和线电压是有意义的。

根据本发明的另一个有利的方面，第一电压表可设计成，在场绕组上采集第一相线中的第一线电压。

有利地，为此在场绕组的绕组始端和星形接点之间或在外部导体和星形导体之间测量电位差。以此方式，电流测量和电压测量可在相同的参考电位处(在星形接点中)发生并且相应地在没有电位隔离的情况下进行。

根据本发明的另一个有利的方面，负载控制电路可另外具有一个第一分压器。第一分压器可与第一相线的场绕组并联。第一分压器可具有一个第一电阻和一个第二电阻。通过分压器，可直接相对于星形接点中的公共参考电位测量线电压。电位隔离因此是不需要的。

根据本发明的另一个有利的方面，负载控制电路参照别的相线可如此安排和设计，使其对应于参照第一相线的配置。

因此第一电流表可设计成，在每条相线中分别采集所属的线电流。

第一电压表可设计成，在每条相线中分别采集所属的线电压。

控制模块可为此设计成，借助于分别的线电流和分别的线电压计算总有功功率。

测量所有相线中的线电流和线电压使得可以立即获取总有功功率并且在几毫秒之内非常快速地识别过载。负载控制电路的非常短的反应时间(小于大约60ms；有利地小于大约30ms)出人意料地足够在故障情况下保护传动系和尤其地也保护被驱动的机械负载免受损坏。

根据一个有利的方面，可在所有相线中在分别的绕组末端和星形接点之间安排所属的半导体开关。有利地，控制模块可设计成，在识别到超出极限值时，借助于半导体开关中断所有相线。由此可在极短的时间内将整个电机断电，并且可在星形接点中中断场绕组。这导致转子基本上无延迟的自由旋转。传动系立即卸载。

超出极限值可以是超出总有功功率的极限值或者超出从总有功功率中计算的扭矩的极限值。

根据一个有利的方面，针对每条别的相线的负载控制电路可分别具有一个所属的电流表、一个所属的电压表和一个所属的半导体开关。

分别所属的电流表可设计成，在相线中分别采集所属的线电流。分别所属的电压表可为此设计成，在相线中分别采集所属的线电压。控制模块可设计成，借助于分别的线电流和分别的线电压计算总有功功率。在所有相线中可在分别的绕组末端和星形接点之间安排所属的半导体开关。

根据本发明的另一个有利的方面，控制模块可设计成，触发作为功率分配器的半导体开关。控制模块可为此设计成，如此触发半导体开关，即相线中的有效电压借助于半导体电路通过相交错式控制是可设置的。

在此，控制模块可具有软起动控制。软起动控制可为此设计成，在接通电机时降低相线中的有效电压并且在预先规定的一段时间期间提高直至全电网电压。以此方式，可限制起动电流。

额外地或替代性地，控制模块可具有部分负载控制。部分负载控制可为此设计成，从有功功率和电机额定功率中确定一个部分负载系数。在发现低于该部分负载系数极限值时，控制模块可借助于作为功率分配器的半导体开关对应地降低相线中的有效电压。以此方式，可在部分负载运行中提高电机的有效度。

根据本发明的另一个有利的方面，所有测量的线电流和所有测量的线电压可相对于公共参考点(或公共参考电位)来测量。公共参考点或参考电位可以是星形接点或星形接点的电位。

参考点可自然地通过导线或导线的网络，尤其星形导线形成。在相对于公共参考点测量线电压时，可将测得的电压直接用于功率计算。

由于所有测量都是相对于公共参考点测量的，因此负载控制电路中不需要电位隔离。通过星形侧的安排，用于过压保护的附加措施通常可省去或至少相对简单地实现。

根据本发明的另一个有利的方面，可借助于控制信号触发半导体电路。控制信号可通过控制模块形成。控制信号可例如是相对于参考电位的电位差。

控制信号可由栅极驱动器电路形成。控制模块可触发栅极驱动器电路。这方面也可以实现深入实施负载控制电路，无需进行电位隔离。

有利地，负载控制电路可从电机的供应电压或通过通讯接口获得电能。在需要时，需为此在负载控制电路中设计对应的变压器。

根据本发明的另外一个有利的方面，负载控制电路可安排在电机的电机端子盒上、端子盒旁或优选地电机端子盒中并且尤其地安排在电机端子盒的盖子中。以此方式，负载控制电路可无需对电机做出其他更改地在星形侧耦合进相线中。

附图说明

下文将借助实施例并参照附图更详细地解释本发明的特征和方面，在此，

-图1示出带负载控制电路的驱动装置的简化的示意性的方块图，

-图2示出带负载控制电路的驱动装置的另一简化的示意性的方块图，

-图3示出带负载控制电路的交流电异步电机，以及

-图4示出传动系。

具体实施方式

图1示出带根据本发明的负载控制电路5的驱动装置1的简化的方块图，该负载控制电路用于带多条相线10、20、30的采用星形接线的交流电异步电机2。

交流电异步电机2可具有三条或多条相线10、20、30。相线的数量在此取决于交流电系统或交流电系统的相的数量并且在需要时也取决于交流电异步电机的极对数。

交流电异步电机具有一个位置固定的定子和一个可移动的转子。转子可利用旋转的自由度围绕旋转轴转动，其中它被旋转的磁场所驱动。旋转磁场通过定子的围绕转子安排的场绕组l1、l2、l3产生。

所示的电机2具有三个场绕组l1、l2、l3，这些场绕组分别位于电机的单独相线10、20、30中。

相线10、20、30分别包括外部导体15、25、35、场绕组l1、l2、l3和星形导线16、26、36，它们在星形接点40中相连。星形接点在此不必强制性地理解为真正的点，而是也可如示出的那样通过具有公共(星形)电位的相连的导线系统(这里为星形导线16、26、36)形成。

场绕组l1、l2、l3也被称为激励绕组。场绕组l1、l2、l3分别具有一个绕组始端11、21、31和一个绕组末端12、22、32。外部导体15、25、35与各条绕组线10、20、30的绕组始端11、21、31电相连。

外部导体15、25、35和绕组始端11、21、31的连接可通过外部导体端子13、23、33形成。实际上，在此但是不必强制性地是真正意义上的端子，因此也经常被称为外部导体连接点。

替代性地，外部导体端子13、23、33也可被称为绕组始端端子。

在场绕组l1、l2、l3的与外部导体15、25、35相背离的一侧为分别的绕组末端12、22、32。在绕组末端12、22、32上连接有分别的星形导线16、26、36。绕组末端12、22、32和分别的星形导线16、26、36在星形导线连接点14、24、34中相连，这些星形导线连接点也被称为绕组末端连接点或绕组末端端子。

在第一传动系10中在第一场绕组l1的绕组末端12和星形接点40之间安排有第一半导体开关v1。换一种表述的话，可通过第一半导体开关v1选择性地中断星形导线16。

除了第一半导体开关v1之外，在第一相线10中或上此外安排有第一电流表52或电流表52的电流测量探头17。

有利地，第一电流测量探头17可在第一相线10中安排在绕组末端12和星形接点40之间。换言之，电流测量探头17可安排在星形导线16中或上。

第一电流测量探头17可例如是一个分流器。虽然也可使用霍尔电流传感器或磁通门传感器，然而这些传感器更贵和更麻烦。此外，由于有利的选择星形接点作为参考电位，因此无需通过传感器进行电位隔离。

以类似的方式，也构造第二相线和第三相线：

通过连接导线25将第二场绕组l2连接至电源，一个交流电网。外部导体侧，即在外部导体25的一侧上有绕组始端21。外部导体25和场绕组l2在外导体连接点23(也被称为外部导体端子)中导电地连接。在

场绕组l2的第二侧上有绕组终端22，该绕组终端在星形导线连接点24(也被称为绕组终端连接点或绕组终端端子)中借助于星形导线26在星形接点40中与分别其他的相线10、30的分别其他的星形导线16、36相连。

也可通过第二半导体开关v2在绕组末端22和星形接点40之间中断第二相线。

电流表52的第二电流测量探头27测量第二相线20中的并且尤其在第二星形导线26的范围内的线电流。以类似的方式，第三相线30具有第三外部导体35、外部导体端子33和带有绕组始端31和绕组末端32的第三场绕组l3、绕组末端端子34和带有第三半导体开关v3和第三电流测量探头37的第三星形导线36。

第二和还有第三相线20、30的结构因而对应于第一相线10的结构。

第一星形导线16、第二星形导线26和第三星形导线36在星形接点40中电相连。它们因而具有公共参考电位。

对于单独的第一电流表52替代性地，负载控制电路5也可具有针对其他相线的分别单独的电流表。

负载控制电路5的第一电压表53测量第一相线10、第二相线20和第三相线30上的线电压。在此将测量外部导体15、25、35和公共星形接点40之间的电位差。为此将借助于电压表53的测量导线17、27、37记录瞬时外部导体电位并且与星形接点40中的星形接点电位进行比较。

控制模块51继续处理从电流表和电压表中获得的数据并且计算相线1、2和/或3中的有功功率。

如果测量仅一条相线的线电流和线电压，为了获取总有功功率，将从中获取半个或成倍数的波形的周期时间上的有功功率并且接着与相线的数量相乘。

有利地，然而测量相线中的每一条中的相电流和相电压。

通过将瞬时线电流和分别所属的瞬时线电压相乘，可针对相线中的每一条获取瞬时有功功率。通过将全部相线10、20、30的瞬时有功功率相加，可以立即(既无需首先在交流电系统的至少一个半波上求积分)推断出总有功功率。

此外，可在了解或评估电机转速的情况下，在适当时在考虑相连的变速器的情况下，从总有功功率中直接计算输出扭矩。

从预先规定的极限值和有功功率、总有功功率或从总有功功率中计算出的扭矩的比较中，控制模块可发现超出极限值并且从超出极限值中推断出传动系和/或被驱动的机械负载的错误的运行状态。

除了控制模块51、电流表52和电压表53，负载控制电路5还具有栅极驱动器电路54，该栅极驱动器电路触发半导体开关v1、v2、v3。作为控制信号可使用相对于星形接点40中的公共参考电位的电位差。

控制模块设计成，触发作为分别的相线10、20、30的功率分配器的半导体开关v1、v2、v3。分别的相线10、20、30中的有效电压在此可通过相交错式控制借助于半导体开关v1、v2、v3来设置。

控制模块具有软起动控制和部分负载控制。

软起动控制为此设计成，在接通时降低分别的相线中的有效电压并且在预先规定的一段时间内提高直至全电网电压。这可通过相交错式控制或通过脉冲宽度调制发生。

部分负载控制设计成，从有功功率和电机额定功率中确定一个部分负载系数。在发现低于部分负载系数极限值时，相线中的有效电压对应地降低。有效电压的降低可与低于部分负载系数极限值的程度成比例。

负载控制电路5可包括dc-dc转换器56，用于调整电压。

负载控制电路5另外具有一个通讯模块55。该通讯模块包括一个通讯接口58。通过通讯接口58，通讯模块55可与或在一个(远程)系统70中建立数据连接57。

数据连接57可由通讯模块55通过网络、现场总线、点对点连接建立。通讯模块通过数据连接57提供电机特征数据和/或电机状态数据，这些数据反之由控制模块保持。

负载控制电路5的能量供应可要么通过电机的交流电系统，要么通过数据连接57提供。例如，数据连接可以是io-link，或带有power-over-ethernet的网络连接。

负载控制电路5包括一个对应的电压变压器，用于为电流表和电压表52、53、控制模块51、栅极驱动器电路54和通讯模块55供应电能。

通过通讯接口58，通讯模块55可与远程系统通讯。例如，

通讯接口58可连接至总线系统、至网络或者至点对点连接，例如在io-link中。

通过通讯模块55，驱动装置适应“工业4.0”的要求。通过调查负载曲线，可在了解历史数据的情况下判断未来的能量需求。通过这些数据，可优化所需的能量需求。

根据另一个有利的方面，可在一个例如非易失性存储器59中保存驱动特征数据。非易失性存储器59可直接安排在驱动装置1中或上。非易失性存储器59可保留在驱动装置1上，甚至当例如负载控制电路5因为受损的原因而必须更换时。负载控制电路5可适配为，读出非易失性存储器59并且应用驱动特征数据

驱动特征数据可包括驱动装置1的电子铭牌的电机特征数据和/或变速器特征数据，驱动特征数据可在此相当于“eci@ss”分级。

驱动状态数据可包括负载曲线数据和/或状态数据，用于前瞻性的维修(磨损参数)。

根据另一个有利的方面，驱动装置1可设计成，借助于远程系统70的控制数据通过数据连接57在功率上受控，并且尤其地被接通和关闭。

针对包含第一电压表53和第一电流表52的所示的安排替代性地(该电压表和电流表至少在第一相线10中测量线电压和线电流并且在所示的实施例中除了第一线电压和第一线电流以外还为其他相线测量线电压和线电流)，负载控制电路也可针对相线10、20、30中的每一条具有分别单独的电压表53和电流表52(未示出)。

图2同样作为简化的方块图示出带电机2和负载控制电路5的驱动装置1。

负载控制电路的配置主要对应于图1的负载控制电路5，其中接下来仅应提及区别。同样的或类似的特征带有相同的附图标记。

电流测量探头17、27、37在本发明中通过分流电阻r1、r2、r3形成。分流电阻r1、r2、r3与分别的相线10、20、30串联并且在星形侧在星形接点40中相连。分别的线电流从通过分流电阻r1、r2、r3降低的分流电压中获取。通过电路安排，在此将使用星形接点电位作为公共参考电位。

相线10、20、30上的分别的线电压或通过场绕组l1、l2、l3的实际线电压由电压表53借助于与相线并联的电压分配器获取。电压分配器17、27、37在此分别具有第一电阻r11、r21、r31和第二电阻r12、r22、r32。第一电阻r11、r21、r31在此与分别的外部导体15、25、35相连并且分别与第一电阻r11、r21、r31串联的第二电阻r12、r22、r32在星形接点40中相连并且因而同样地处于公共参考电位上。通过电压表53测量通过各个第二电阻r12、r22、r32降低的电压。

以此方式，电流表以及电压表可成本低廉地实施为电压表。通过公共参考电位，可不进行电位隔离。

图3示出在电机端子盒中带有根据本发明的负载控制电路的驱动装置的电机。通过电机端子盒60中的安排，可将负载控制电路5直接连接至分别的外部导体端子和电机2的绕组末端端子，从而甚至不需要对电机2进行深入的结构上的调整。

外部导体15、25、35与外部导体端子13、23、33相连。星形导线16、26、36与绕组末端端子14、24、34相连并且延伸至负载控制电路5。负载控制电路5与外部导体端子和绕组末端端子一起安置在端子盒60中。通讯导线57延伸至远程系统70。

图4示出带有电机2的传动系。变速器102耦合在电机2和被驱动的机械负载104之间。在电机2和变速器102之间耦合有过载离合器103。

电机2具有端子盒60。

电机2和变速器102的单元同样可以和没有变速器的电机一样被理解为符合上述描述的驱动装置。

根据本发明，在端子盒60中安置有负载控制电路5。所示的过载离合器103因而不是必要的并且可省去。

自然地，驱动装置或传动系也可实施为不带变速器。所示的变速器102因而省去。