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EP3408907A1 - Elektronischer motorstarter mit schutz-und überwachungsfunktion - Google Patents

Elektronischer motorstarter mit schutz-und überwachungsfunktion

Info

Publication number
EP3408907A1
EP3408907A1 EP17702077.3A EP17702077A EP3408907A1 EP 3408907 A1 EP3408907 A1 EP 3408907A1 EP 17702077 A EP17702077 A EP 17702077A EP 3408907 A1 EP3408907 A1 EP 3408907A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
motor starter
switch
motor
electronic
main
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP17702077.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Meid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eaton Intelligent Power Ltd
Original Assignee
Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eaton Intelligent Power Ltd filed Critical Eaton Intelligent Power Ltd
Publication of EP3408907A1 publication Critical patent/EP3408907A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0816—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors concerning the starting sequence, e.g. limiting the number of starts per time unit, monitoring speed during starting
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/006—Calibration or setting of parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters

Definitions

  • the invention relates to an electronic motor starter for electric motors, which has a protective and monitoring function, but does not require mechanical components for switching off the main and the auxiliary circuit.
  • the German patent application DE 43 35 965 AI describes a combined motor starter with a line-side circuit breaker, a series-connected load-side contactor and an electronic unit for measuring, controlling and monitoring.
  • the two switching devices have mechanical contact systems and the electronic unit electronic triggers for a motor and a short-circuit protection.
  • the electronic triggers of the electronic unit can replace conventional triggers such as bimetallic relays and quick release, and avoid expensive designs to allow short circuit tripping.
  • the electronic overload monitoring allows large adjustment and triggering ranges of electronic triggers.
  • a three-phase electronic motor starter is described in German Offenlegungsschrift DE 10 2013 111 954 AI.
  • the motor starter is realized by a contactor with mechanical contacts and a pluggable module with semiconductor switches.
  • the module serves to reduce the very high load of the mechanical switching contacts of the contactor due to the high inrush currents occurring in particular when starting an electric motor.
  • the semiconductor switches of the attachable module via a corresponding control in parallel to the switch contacts during a switch on and off of the contactor are switched such that the switch contacts can switch almost without power and thereby be less burdened.
  • the attachable module may have an integrated motor protection circuit having a triggering electronics and a current transformer per phase.
  • German Patent Application DE 10 2009 012 942 A1 discloses a motor starter designed for use in a fan control, which has semiconductor switches for switching phases of a three-phase main power supply of the motor windings and a microcontroller as electronic control unit for the semiconductor switches. Furthermore, transducers are present in two of the three phases of the three-phase main power supply, whose current measurement signals are supplied to the microcontroller, which controls the main switch depending thereon and can thus implement a motor protection function.
  • German patent application DE 197 42 916 AI teaches a control for electric motors, which are particularly integrated in movable and / or hand-held machines such as electric mixers, drills, grinding machines, etc.
  • the driver has a semiconductor switch as a main switch and has an overload protection function for the motor, which is based on a measurement of the current consumption of the motor.
  • certain operating conditions of the engine can be adjusted by means of a potentiometer and a keypad.
  • German Patent Application DE 100 03 692 A1 discloses a semiconductor-based motor starter with a reversing function.
  • the object of the present invention is now to propose an improved motor starter. This object is solved by the subject matters of the independent claims. Further embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • An underlying idea of the present invention is to provide a fully electronic motor starter that can be implemented without mechanical components.
  • a solid-state contactor semiconductor contactor designed as a main switch together with an electronic motor protection relay combined in a housing together with a control and monitoring electronics for the solid-state contactor and the motor protection relay is constructed according to the invention.
  • a as Semiconductor switch executed and provided between at least one pair of auxiliary contacts of the motor starter auxiliary switch.
  • An embodiment of the invention now relates to an electronic motor starter comprising a main switch designed as a power semiconductor which forms a semiconductor contactor and has at least one semiconductor switch for switching a phase of a main current supply of a motor winding, a first terminal of each semiconductor switch being connected to a corresponding first main current contact of the motor starter, an auxiliary switch designed as a semiconductor switch and connected between at least one pair of auxiliary contacts of the motor starter, an electronic transducer unit for measuring the currents of the phases of the main power supply connected between a second terminal of each semiconductor switch of the main switch and a corresponding second main current contact of the motor starter; Control unit for the main switch and the auxiliary switch, which is supplied via control contacts of the engine start, the measuring Ignale the transducer unit are fed and which is designed to control the main switch and / or the auxiliary switch depending on the supply via the control contacts and / or the measurement signals. Due to the completely electronic structure of such a motor starter electronic switching and shooter can be realized in a motor control in a device.
  • the motor starter may have an electronic message unit, which is controlled by the electronic control unit and is designed to generate optical and / or acoustic messages on the status of the motor starter.
  • the message unit can control a multicolor LED (Light Emitting Diode), via which different states of the motor starter can be optically signaled by different colors and / or flashing.
  • the motor starter may also have an electronic parameterization unit, which is designed to specify at least one parameter for the electronic control unit.
  • the electronic parameterization unit can be designed as a parameter for the electronic control unit at least one of the following Specify parameters: a rated motor current; an inertia class for overload release of the power supply of an electric motor; a behavior after an overload trip, in particular an automatic or manual restart.
  • Specify parameters for setting parameters, for example, potentiometers or switches such as rotary or toggle switches can be provided.
  • the electronic transducer unit may include current transformers and / or Hall sensors and / or other suitable measuring means for measuring the currents of the phases of the main power supply.
  • the electronic control unit may be configured, depending on a supply voltage applied to the control contacts
  • the designed as a power semiconductor main switch may have a plurality of semiconductor switches, which are connected as a reversing starter.
  • the designed as a power semiconductor main switch can also be designed as a direct starter, which has a semiconductor switch for at least one phase of the main power supply of the motor winding.
  • the main switch designed as a power semiconductor can be designed as a direct starter, which in each case has a semiconductor switch for each phase of the main current supply of the motor winding.
  • the motor starter can have an interface via which process data can be read from the motor starter and transmitted to a control room and / or data, in particular parameters for the electronic control unit, can be received.
  • the electronic components of the engine start can be arranged and wired together on a carrier element, for example a printed circuit board or on a plurality of interconnected carrier elements.
  • a carrier element for example a printed circuit board or on a plurality of interconnected carrier elements.
  • Several wired together Carrier elements can be arranged stacked, for example, to allow a compact structure.
  • Fig. 1 is a block diagram of an embodiment of an electronic direct motor starter with electronic motor protection according to the invention
  • Fig. 2 is a block diagram of an embodiment of an electronic turn-around motor starter with electronic motor protection according to the invention
  • Fig. 3 shows an embodiment of switches and transducers for the electronic inverter motor starter according to the invention
  • Fig. 4 shows an embodiment of switches and transducers for the electronic direct motor starter according to the invention, in which all current paths are switchable;
  • Fig. 5 shows an embodiment of switches and transducers for the electronic direct motor starter according to the invention, in which two of three current paths are switchable.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a three-phase electronic direct motor starter 10, which has the usual connection contacts:
  • L1-L3 mains-side (first) main power contacts
  • T1-T3 load-side (second) main power contacts
  • A1-A2 Control contacts (coil connections)
  • the motor starter 10 is constructed entirely of electronic components which are arranged and wired on a carrier circuit board.
  • the circuit board is housed in a housing of the motor starter having the above terminal contacts.
  • the motor starter 10 has a solid-state contactor implemented by a power semiconductor with a plurality of semiconductor switches, for example realized by triacs. First terminals of these semiconductor switches are connected to the corresponding mains-side (first) main power contacts L1-L3 of the motor starter 10.
  • the motor starter 10 has an auxiliary switch 2, which is designed as a semiconductor switch, for example as a triac, and between an auxiliary contact pair 11-12 (normally closed, in which case the auxiliary switch 2 is operated as an opener) and 13-14 (NO In this case, the auxiliary switch 2 is operated as a make contact) is connected to interrupt a signal line connected to the auxiliary contact pair 11-12 and 13-14, respectively.
  • auxiliary switch 2 is designed as a semiconductor switch, for example as a triac
  • the motor starter 10 For measuring the currents of the three phases of the main power supply, the motor starter 10 has an electronic transducer unit 3, which comprises, for example, current transformers, Hall sensors or similar transducers. At least one transducer is provided per phase, which is designed according to 10 times the maximum permissible nominal current of a main flow path.
  • the main switch 1 and the auxiliary switch 2 are controlled by an electronic control unit 4, which is supplied via a voltage applied to the control contacts AI and A2.
  • the applied voltage is first supplied to a rectifier circuit.
  • the rectified output voltage of the rectifier circuit is converted by a DC / DC converter into an operating voltage for a microcontroller and driver circuit.
  • a microcontroller ⁇ C of the microcontroller and driver circuit executes a firmware stored in its internal permanent memory, which configures the microcontroller ⁇ C for processing measurement signals of the transducers of the transducer unit 3 and dependent therefrom control of the main switch 1 and the auxiliary switch 2 via the driver circuit, as below is explained.
  • the motor starter 10 has two further units 5 and 6:
  • the parameterization unit 5 is provided and designed to be a parameter for the electronic control unit 4, a rated motor current "Ir”, an inertia class “Class” for overload triggering the power supply of an electric motor, the behavior "Hand / Auto” after an overload trip (automatic or manual restart The manual restart is realized by a "Reset” switch, ie After an overload trip and subsequent cooling down phase, the motor can be reactivated by means of the "Reset” switch.
  • the parameter "Ir”, the unit 5 and the parameters "Class”, “Manual / Auto” are activated by means of a rotary switch or Potentiometer can be executed, set.
  • a button or toggle switch may be provided as a "reset" switch
  • the microcontroller ⁇ C now monitors the motor in consideration of the parameters set by the parameterization unit 5 and, depending thereon, controls the main switch 1, i.e., turns semiconductor switch of the main switch 1 on or off.
  • the message unit 6 is controlled by the electronic control unit 4 and serves to visually and / or acoustically report the status of the motor starter.
  • the status is determined by the microcontroller .mu.C depending on the measurement signals of the transducer of the transducer unit 3 by a simulation of the engine heating (Temperature simulation) based on a model of the engine determined.
  • the optical message unit 6 has a two-color LED, via which the status can be displayed as follows:
  • LED off there is no supply voltage at the control terminals AI and A2.
  • LED lights up green main switch 1 is switched on, temperature simulation ⁇ 100% LED flashes with 1 Hz red: 100% ⁇ temperature simulation ⁇ 105% LED flashes with 5 Hz red: 105% ⁇ temperature simulation ⁇ 110%
  • Another LED may be provided to indicate a phase failure on a connected load:
  • the motor starter 10 may also have an interface (not shown) via which process data can be read from the motor starter and transmitted to a control room. For example, measured current values, setting values, a reason for tripping, an overload / phase failure, etc., can be read out and transmitted as process data.
  • the interface can also be designed to receive data, for example parameters for the parameterization unit 5, so that at least some of the parameters described above can be set remotely.
  • the interface can be implemented, for example, by the microcontroller .mu.C, which can have an additional module for coupling the motor starter to a bus system, which can be used, for example, on the SmartWire-DT® technology from Eaton Corp. or is a field bus bus system according to the standard IEC 61158 or implemented by an Industrial Ethernet.
  • the microcontroller ⁇ C can also be configured to handle several bus protocols in order to be able to transmit and receive via this data.
  • FIG. 4 and 5 show two embodiments of switches and transducers for the electronic direct motor starter 10.
  • a main switch 1 with auxiliary switch 2 and transducer unit 3 is shown, in which all three current paths are switchable by a triac in each current path the main switch 1 is connected. Furthermore, a current transformer 3 'of the transducer unit 3 is connected in each current path.
  • the auxiliary switch 2 is realized by a triac 2 'connected between the auxiliary contact pair 13-14.
  • FIG. 5 shows a realization in which two out of three current paths can be switched by connecting one triac each of the main switch 1 to the current paths L 1 -T 1 and L 3 -T 3. Otherwise, this implementation corresponds to that shown in FIG. 4.
  • Fig. 2 shows a block diagram of a three-phase electronic reverse starter motor 11, which differs from the motor starter 10 shown in Fig. 1 in that not only two, but three control contacts (coil terminals) A1-A3 are provided and also one for a turn Motor starter suitable main switch is used, such as the illustrated in Fig. 3 embodiment of switches and transducers, in which in the current paths Ll-Tl and L3-T3 each have a triac 1 'of the main switch 1 and also each a triac 1' of the main switch 1 is connected between the main power contacts L1-T3 and L3-T1.
  • the auxiliary switch 2 two triacs 2 ', which are connected between the two auxiliary contact pairs 13-14 and 23-24.
  • the motor starter according to the invention has several advantages: The combination of the two functions "switching and protecting” can reduce the costs of manufacturing and warehousing.
  • the electronics for controlling the semiconductor switches and the electronics for monitoring the currents on the main current paths can be combined to form an electronic unit.
  • the motor starter according to the invention enables a reduction of the wiring effort.
  • at least one additional auxiliary contact for switching off the contactor in the event of an overload for example normally closed contacts 95-96, normally open contacts 97-98 can be dispensed with.
  • no additional wiring to switch off the contactor by the motor protection relay is required.
  • the internal control electronics can replace the auxiliary auxiliary contact as well as the required external wiring. The electronics switch off the semiconductor switching elements (main contacts, as well as auxiliary contacts normally closed, normally open) in the event of an overload.
  • the motor starter according to the invention in principle allows a simulation of the motor temperature by the internally switched contactor (semiconductor switch): in the event that the motor starter is disconnected from the supply voltage, a temperature simulation can be stored internally. As a result, the information of the simulated engine temperature is not lost and can be considered when restarting. Furthermore, the motor starter according to the invention makes it possible to provide the connected supply voltage via a DC / DC converter to the internal control electronics (motor protection function and switching function). This allows a cost-effective design of the motor starter's measuring device (e.g., CT), since it does not have to take over the power supply of the electronics, which would be the case if the motor protection relay were built as a separate module without external supply.
  • CT cost-effective design of the motor starter's measuring device
  • a multi-voltage power supply can be used, whereby a solid-state contactor including motor protection function are constructed with a supply voltage range of about 24 volts to about 240 volts can. Shutdown limits automatically determined as a function of the voltage applied to the control contacts AI, A2 (, A3) supply voltage. As a result, the voltage variants of the motor starter can be reduced from a total of about four to a variant.
  • the motor starter according to the invention can also be constructed with several voltage variants.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Motor And Converter Starters (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Motorstarter (10) aufweisend einen als Leistungshalbleiter ausgeführten Hauptschalter (1), der ein Halbleiterschütz bildet und mindestens einen Halbleiterschalter zum Schalten einer Phase einer Hauptstromversorgung einer Motorwicklung aufweist, wobei ein erster Anschluss jedes Halbleiterschalters mit einem entsprechenden ersten Hauptstromkontakt (L1-L3) des Motorstarters (10) verbunden ist, einen als Halbleiterschalter ausgeführten und zwischen mindestens ein Paar von Hilfskontakten (11, 12, 13, 14) des Motorstarters geschalteten Hilfsschalter (2), eine elektronischen Messwandlereinheit (3) zum Messen der Ströme der Phasen der Hauptstromversorgung, die zwischen einen zweiten Anschluss jedes Halbleiterschalters des Hauptschalters (1) und einen entsprechenden zweiten Hauptstromkontakt (T1-T3) des Motorstarters (10) geschaltet ist, und eine elektronische Steuereinheit (4) für den Hauptschalter (1) und den Hilfsschalter (2), die über Steuerkontakte (A1 A2) des Motorstartes (10) versorgt wird, der Messsignale der Messwandlereinheit (3) zugeführt werden und die ausgebildet ist, abhängig von der Versorgung über die Steuerkontakte (A1, A2) und/oder den Messsignalen den Hauptschalter (1) und/oder den Hilfsschalter (2) zu steuern.

Description

Elektronischer Motorstarter mit Schutz- und Überwachungsfunktion
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Motorstarter für Elektromotoren, der eine Schutz- und Überwachungsfunktion aufweist, jedoch keine mechanischen Komponenten zur Abschaltung des Haupt- sowie des Hilfsstromkreises benötigt. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 43 35 965 AI beschreibt einen kombinierten Motorstarter mit einem netzseitigen Leistungsschalter, einem dazu in Reihe geschalteten lastseitigen Schütz und einer elektronischen Einheit zum Messen, Steuern und Überwachen. Die beiden Schaltgeräte weisen mechanische Kontaktsysteme und die elektronische Einheit elektronische Auslöser für einen Motor- und einen Kurzschlußschutz auf. Durch die elektronischen Auslöser der elektronischen Einheit können herkömmliche Auslöser wie Bimetallrelais und Schnellauslöser ersetzt und aufwendige Konstruktionen zum Ermöglichen einer Kurzschlußstromauslösung vermieden werden. Zudem ermöglicht die elektronische Überlastüberwachung große Einstell- und Auslösebereiche der elektronischen Auslöser. Ein dreiphasiger elektronischer Motorstarter ist in der der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2013 111 954 AI beschrieben. Der Motorstarter ist durch ein Schütz mit mechanischen Kontakten und ein aufsteckbares Modul mit Halbleiterschaltern realisiert. Das Modul dient dazu, die sehr hohe Belastung der mechanischen Schaltkontakte des Schützes aufgrund der insbesondere beim Anfahren eines Elektromotors auftretenden hohen Einschaltströme zu reduzieren. Hierzu werden die Halbleiterschalter des aufsteckbaren Moduls über einen entsprechende Ansteuerung parallel zu den Schaltkontakten während eines Ein- und Ausschaltvorgangs des Schützes derart geschaltet, dass die Schaltkontakte nahezu leistungslos schalten können und dadurch weniger belastet werden. Das aufsteckbare Modul kann eine integrierte Motorschutzschaltung aufweisen, die eine Auslöseelektronik sowie pro Phase einen Stromwandler aufweist. Die Auslöseelektronik steuert abhängig von den Ausgangssignalen der Stromwandler eine Abschaltung die Stromzufuhr zum Motor und bewirkt insbesondere bei zu hohen Strömen eine Abschaltung der Motor-Stromzufuhr. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 012 942 AI ist ein zum Einsatz für eine Gebläsesteuerung ausgebildeter Motorstarter bekannt, der Halbleiterschalter zum Schalten von Phasen einer dreiphasigen Hauptstromversorgung der Motorwicklungen sowie einen Mikrokontroller als elektronische Steuereinheit für die Halbleiterschalter aufweist. Weiterhin sind Messwandler bei zwei der drei Phasen der dreiphasigen Hauptstromversorgung vorhanden, deren Strom-Messsignale dem Mikrokontroller zugeführt werden, der davon abhängig die Hauptschalter steuert und so eine Motorschutzfunktion implementieren kann.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 197 42 916 AI lehrt eine Ansteuerung für Elektromotoren, die insbesondere in bewegbaren und/oder handgeführten Maschinen wie Elektromixern, Bohrmaschinen, Schleifmaschinen etc. integriert sind. Die Ansteuerung weist einen Halbleiterschalter als Hauptschalter auf und besitzt eine Überlastungsschutzfunktion für den Motor, die auf einer Messung der Stromaufnahme des Motors beruht. Weiterhin können bestimmte Betriebszustände des Motors mittels eines Potentiometers und eine Tastenfeldes eingestellt werden.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 03 692 AI ist ein Halbleiter-basierter Motorstarter mit Wendefunktion bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen verbesserten Motorstarter vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrunde liegender Gedanke besteht darin, einen vollständig elektronischen Motorstarter zu schaffen, der ohne mechanische Komponenten implementiert werden kann. Hierzu wird erfindungsgemäß ein durch einen Leistungshalbleiter ausgeführter Solid-State-Schütz (Halbleiterschütz) als Hauptschalter zusammen mit einem elektronischen Motorschutzrelais kombiniert in einem Gehäuse zusammen mit einer Ansteuerungs- und Überwachungselektronik für das Solid-State-Schütz und das Motorschutzrelais aufgebaut. Zudem ist ein als Halbleiterschalter ausgeführter und zwischen mindestens ein Paar von Hilfskontakten des Motorstarters geschalteter Hilfsschalter vorgesehen.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft nun einen elektronischen Motorstarter aufweisend einen als Leistungshalbleiter ausgeführten Hauptschalter, der ein Halbleiterschütz bildet und mindestens einen Halbleiterschalter zum Schalten einer Phase einer Hauptstromversorgung einer Motorwicklung aufweist, wobei ein erster Anschluss jedes Halbleiterschalters mit einem entsprechenden ersten Hauptstromkontakt des Motorstarters verbunden ist, einen als Halbleiterschalter ausgeführten und zwischen mindestens ein Paar von Hilfskontakten des Motorstarters geschalteten Hilfsschalter, eine elektronischen Messwandlereinheit zum Messen der Ströme der Phasen der Hauptstromversorgung, die zwischen einen zweiten Anschluss jedes Halbleiterschalters des Hauptschalters und einen entsprechenden zweiten Hauptstromkontakt des Motorstarters geschaltet ist, und eine elektronische Steuereinheit für den Hauptschalter und den Hilfsschalter, die über Steuerkontakte des Motorstartes versorgt wird, der Messsignale der Messwandlereinheit zugeführt werden und die ausgebildet ist, abhängig von der Versorgung über die Steuerkontakte und/oder den Messsignalen den Hauptschalter und/oder den Hilfsschalter zu steuern. Durch den vollständig elektronischen Aufbau eines derartigen Motorstarters kann ein elektronisches Schalten und Schützen bei einer Motoransteuerung in einem Gerät realisiert werden.
Der Motorstarter kann eine elektronische Meldungseinheit aufweisen, die von der elektronischen Steuereinheit angesteuert wird und ausgebildet ist, optisch und/oder akustisch Meldungen zum Status des Motorstarters zu erzeugen. Beispielsweise kann die Meldungseinheit eine mehrfarbige LED (Light Emitting Diode) ansteuern, über die verschiedene Zustände des Motorstarters optisch durch verschiedene Farben und/oder Blinken signalisiert werden können.
Der Motorstarter kann auch eine elektronische Parametrierungseinheit aufweisen, die ausgebildet ist, mindestens einen Parameter für die elektronische Steuereinheit vorzugeben. Die elektronische Parametrierungseinheit kann ausgebildet sein, als Parameter für die elektronische Steuereinheit mindestens einen der folgenden Parameter vorzugeben: einen Motornennstrom; eine Trägheitsklasse für eine Überlastauslösung der Stromversorgung eines Elektromotors; ein Verhalten nach einer Überlastauslösung, insbesondere ein automatisches oder manuelles Wiedereinschalten. Zum Einstellen von Parametern können beispielsweise Potentiometer oder Schalter wie Dreh- oder Kippschalter vorgesehen sein.
Die elektronische Messwandlereinheit kann Stromwandler und/oder Hall-Sensoren und/oder andere geeignete Messmittel zum Messen der Ströme der Phasen der Hauptstromversorgung aufweisen.
Die elektronische Steuereinheit kann ausgebildet sein, abhängig von einer an den Steuerkontakten anliegenden Versorgungsspannung einen
Bemessungsspannungsbereich des Motorstarters einzustellen. Dadurch kann ein Motorstarter mit einem universellen Eingangsspannungsbereich realisiert werden.
Der als Leistungshalbleiter ausgeführte Hauptschalter kann mehrere Halbleiterschalter aufweisen, die als Wendestarter verschaltet sind. Der als Leistungshalbleiter ausgeführte Hauptschalter kann auch als Direktstarter ausgebildet sein, der für mindestens eine Phase der Hauptstromversorgung der Motorwicklung einen Halbleiterschalter aufweist. Insbesondere kann der als Leistungshalbleiter ausgeführte Hauptschalter als Direktstarter ausgebildet sein, der für jede Phase der Hauptstromversorgung der Motorwicklung jeweils einen Halbleiterschalter aufweist. Der Motorstarter kann zudem eine Schnittstelle aufweisen, über die Prozessdaten aus dem Motorstarter ausgelesen und an eine Leitwarte übertragen und/oder Daten, insbesondere Parameter für die elektronische Steuereinheit, empfangen werden können.
Um einen kompakten Aufbau des Motorstarters zu ermöglichen, können die elektronischen Komponenten des Motorstartes gemeinsam auf einem Trägerelement, beispielsweise einer Leiterplatte oder auf mehreren miteinander verdrahteten Trägerelementen angeordnet und verdrahtet sein. Mehrere miteinander verdrahtete Trägerelemente können beispielsweise gestapelt angeordnet sein, um einen kompakten Aufbau zu ermöglich.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines elektronischen Direkt- Motorstarters mit elektronischem Motorschutz gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines elektronischen Wende- Motorstarters mit elektronischem Motorschutz gemäß der Erfindung;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel von Schaltern und Messwandlern für den elektronischen Wende-Motorstarter gemäß der Erfindung;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel von Schaltern und Messwandlern für den elektronischen Direkt-Motorstarter gemäß der Erfindung, bei dem alle Strombahnen schaltbar sind; und
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel von Schaltern und Messwandlern für den elektronischen Direkt-Motorstarter gemäß der Erfindung, bei dem zwei von drei Strombahnen schaltbar sind.
In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen. Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines dreiphasigen elektronischen Direkt-Motorstarters 10, der die üblichen Anschlusskontakte aufweist:
11-12: Hilfskontakt-Paar (Öffner)
13-14: Hilfskontakt-Paar (Schließer)
L1-L3: netzseitige (erste) Hauptstromkontakte
T1-T3: lastseitige (zweite) Hauptstromkontakte
A1-A2: Steuerkontakte (Spulenanschlüsse)
Der Motorstarter 10 ist vollständig aus elektronischen Komponenten aufgebaut, die auf einer als Träger dienenden Leiterplatte angeordnet und verdrahtet sind. Die Leiterplatte ist in einem Gehäuse des Motorstarters untergebracht, dass die obigen Anschlusskontakte aufweist.
Der Motorstarter 10 weist als Hauptschalter 1 ein durch einen Leistungshalbleiter ausgeführtes Solid-State-Schütz mit mehreren Halbleiterschaltern, beispielsweise durch Triacs realisiert, auf. Erste Anschlüsse dieser Halbleiterschalter sind mit den entsprechenden netzseitigen (ersten) Hauptstromkontakten L1-L3 des Motorstarters 10 verbunden.
Zusätzlich weist der Motorstarter 10 einen Hilfsschalter 2 auf, der als Halbleiterschalter ausgeführt ist, beispielsweise als Triac, und zwischen ein Hilfskontakt-Paar 11-12 (Öffner; in diesem Fall wird der Hilfsschalter 2 als Öffner betrieben) bzw. 13-14 (Schließer; in diesem Fall wird der Hilfsschalter 2 als Schließer betrieben) geschaltet ist, um eine an das Hilfskontakt-Paar 11-12 bzw. 13-14 angeschlossene Meldeleitung zu unterbrechen bzw. zu schließen.
Zum Messen der Ströme der drei Phasen der Hauptstromversorgung weist der Motorstarter 10 eine elektronische Messwandlereinheit 3 auf, die beispielsweise Stromwandler, Hallsensoren oder dergleichen Messwandler umfasst. Pro Phase ist mindestens ein Messwandler vorgesehen, der entsprechend dem lOfachen des maximal zulässigen Nennstroms einer Hauptstrombahn ausgelegt ist. Der Hauptschalter 1 und der Hilfsschalter 2 werden von einer elektronischen Steuereinheit 4 angesteuert, die über eine an den Steuerkontakten AI und A2 anliegende Spannung versorgt wird. Die anliegende Spannung wird zunächst einer Gleichrichterschaltung zugeführt. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung wird von einem DC/DC-Wandler in eine Betriebsspannung für eine Mikrokontroller- und Treiberschaltung umgewandelt. Ein Mikrokontroller μC der Mikrokontroller- und Treiberschaltung führt eine in seinem internen Permanentspeicher abgelegte Firmware aus, die den Mikrokontroller μC zum Verarbeiten von Messsignalen der Messwandler der Messwandlereinheit 3 und davon abhängigen Steuern des Hauptschalters 1 und des Hilfsschalters 2 über die Treiberschaltung konfiguriert, wie nachfolgend noch erläutert wird.
Der Motorstarter 10 weist noch zwei weitere Einheiten 5 und 6 auf:
Die Parametrierungseinheit 5 ist vorgesehen und dazu ausgebildet, als Parameter für die elektronische Steuereinheit 4 einen Motornennstrom„Ir", eine Trägheitsklasse„Class" für eine Überlastauslösung der Stromversorgung eines Elektromotors, das Verhalten „Hand/Auto" nach einer Überlastauslösung (automatisches oder manuelles Wiedereinschalten) vorzugeben Das manuelle Wiedereinschalten wird durch einen „Reset"-Schalter realisiert, d.h. nach einer Überlastauslösung und anschließender Abkühlphase, kann mittels des „Reset"-Schalters der Motor wieder eingeschaltet werden. Der Parameter„Ir", der Einheit 5 und die Parameter„Class",„Hand/Auto" werden über Betätigungselemente, die als Drehschalter oder Potentiometer ausgeführt sein können, eingestellt. Als„Reset"-Schalter kann eine Taste oder ein Kippschalter vorgesehen sein. Der Mikrokontroller μC überwacht nun den Motor unter Berücksichtigung der durch die Parametrierungseinheit 5 vorgegebenen Parameter und steuert davon abhängig den Hauptschalter 1, d.h. schaltet Halbleiterschalter des Hauptschalters 1 ein oder aus.
Die Meldungseinheit 6 wird von der elektronischen Steuereinheit 4 angesteuert und dient dazu, den Status des Motorstarters optisch und/oder akustisch zu melden. Der Status wird vom Mikrokontroller μC abhängig von den Messsignalen der Messwandler der Messwandlereinheit 3 durch eine Simulation der Motorerwärmung (Temperatursimulation) anhand eines Modells des Motors ermittelt. Für die optische Meldung weist die Einheit 6 eine zweifarbige LED auf, über die der Status wie folgt angezeigt werden kann:
LED aus: an den Steueranschlüssen AI und A2 liegt keine Versorgungsspannung an. LED leuchtet grün: Hauptschalter 1 ist eingeschaltet, Temperatursimulation < 100% LED blinkt mit 1 Hz rot: 100% < Temperatursimulation < 105% LED blinkt mit 5 Hz rot: 105% < Temperatursimulation < 110%
LED leuchtet rot: Temperatursimulation > 110%, Hauptschalter 1 ist ausgeschaltet, Motor befindet sich in einer Abkühlphase LED blink mit 1 Hz grün: Abkühlphase des Motors beendet, warte aus „Reset", Widereinschaltung nach Überlast steht auf„Hand"
Eine weitere LED kann vorgesehen sein, um einen Phasenausfall an einer angeschlossenen Last anzuzeigen:
LED aus: kein Phasenausfall LED gelb: Phasenausfall
Der Motorstarter 10 kann auch eine (nicht dargestellte) Schnittstelle aufweisen, über die Prozessdaten aus dem Motorstarter ausgelesen und an eine Leitwarte übertragen werden können. Als Prozessdaten können beispielsweise Strommesswerte, Einstellwerte, ein Auslösegrund, ein Überlast-/Phasenausfall etc. ausgelesen und übertragen werden. Die Schnittstelle kann auch dazu ausgebildet sein, Daten zu empfangen, beispielsweise Parameter für die Parametrierungseinheit 5, so dass zumindest einige der oben beschriebenen Parameter aus der Ferne eingestellt werden können. Die Schnittstelle kann datentechnisch beispielsweise durch den Mikrokontroller μC implementiert werden, der ein zusätzliches Modul zum Koppeln des Motorstarters mit einem Bussystem aufweisen kann, das beispielsweise auf dem SmartWire-DT®- Technologie der Eaton Corp. basiert, oder ein Feldbus-Bussystem nach dem Standard IEC 61158 ist oder durch ein Industrial Ethernet implementiert ist. Der Mikrokontroller μC kann zudem konfiguriert sein, mehrere Busprotokolle zu beherrschen, um über diese Daten senden und empfangen zu können.
Fig. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von Schaltern und Messwandlern für den elektronischen Direkt-Motorstarter 10. In Fig. 4 ist ein Hauptschalter 1 mit Hilfsschalter 2 und Messwandlereinheit 3 gezeigt, bei dem alle drei Strombahnen schaltbar sind, indem in jede Strombahn ein Triac des Hauptschalters 1 geschaltet ist. Ferner ist in jede Strombahn ein Stromwandler 3' der Messwandlereinheit 3 geschaltet. Der Hilfsschalter 2 ist durch einen zwischen das Hilfskontakt-Paar 13-14 geschalteten Triac 2' realisiert. Fig. 5 zeigt eine Realisierung, bei der zwei von drei Strombahnen schaltbar sind, indem in die Strombahnen Ll-Tl und L3-T3 jeweils ein Triac des Hauptschalters 1 geschaltet ist. Ansonsten entspricht diese Realisierung der in Fig. 4 gezeigten.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines dreiphasigen elektronischen Wende-Motorstarters 11, der sich von dem in Fig. 1 gezeigten Motorstarter 10 darin unterscheidet, dass nicht nur zwei, sondern drei Steuerkontakte (Spulenanschlüsse) A1-A3 vorgesehen sind und außerdem ein für einen Wende-Motorstarter geeigneter Hauptschalter eingesetzt wird, wie beispielsweise das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel von Schaltern und Messwandlern, bei dem in die Strombahnen Ll-Tl und L3-T3 jeweils ein Triac 1' des Hauptschalters 1 und zudem jeweils ein Triac 1' des Hauptschalters 1 zwischen die Hauptstromkontakte L1-T3 und L3-T1 geschaltet ist. In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist zudem der Hilfsschalter 2 zwei Triacs 2' auf, die zwischen die beiden Hilfskontakt-Paare 13-14 und 23-24 geschaltet sind.
Durch den erfindungsgemäßen Motorstarter ergeben sich mehrere Vorteile: Durch das Zusammenfügen der beiden Funktionen„Schalten und Schützen" können die Kosten der Herstellung sowie die Lagerhaltung reduziert werden. Die Elektronik für die Ansteuerung der Halbleiterschalter sowie die Elektronik zur Überwachung der Ströme auf den Hauptstrombahnen kann zu einer elektronischen Einheit zusammengefasst werden.
Der erfindungsgemäße Motorstarter ermöglicht eine Reduzierung des Verdrahtungsaufwands. Zudem kann mindestens ein zusätzlicher Hilfskontakt zur Abschaltung des Schützes im Überlastfall (z.B. Öffner- Kontakte 95-96, Schließer- Kontakte 97-98) entfallen. Weiterhin ist keine zusätzliche Verdrahtung zur Abschaltung des Schützes durch das Motorschutzrelais erforderlich. Die interne Steuerelektronik kann den zusätzlichen Hilfskontakt sowie die erforderliche externe Verdrahtung ersetzen. Die Elektronik schaltet die Halbleiterschaltelemente (Hauptkontakte, sowie Hilfsschalter Öffner, Schließer) im Falle einer Überlast ab.
Der erfindungsgemäße Motorstarter ermöglicht prinzipiell eine Simulation der Motortemperatur durch das intern abgeschaltete Schütz (Halbleiterschalter): im Fall, dass der Motorstarter von der Versorgungsspannung getrennt wird, kann eine Temperatursimulation intern gespeichert werden. Dadurch geht die Information der simulierten Motortemperatur nicht verloren und kann beim Wiedereinschalten mit betrachtet werden. Weiterhin ermöglicht es der erfindungsgemäße Motorstarter, die angeschlossene Versorgungsspannung über einen DC/DC-Wandler der internen Steuerelektronik (Motorschutzfunktion und Schaltfunktion) zur Verfügung zu stellen. Hierdurch kann eine kostengünstige Auslegung der Messeinrichtung (z.B. Stromwandler) des Motorstarters ermöglicht werden, da diese nicht die Energieversorgung der Elektronik übernehmen muss, was der Fall wäre, wenn das Motorschutzrelais als ein eigenes Modul ohne externe Versorgung aufgebaut würde.
Im erfindungsgemäßen Motorstarter kann ein Multispannungsnetzteil eingesetzt werden, wodurch ein Solid-State-Schütz inklusive Motorschutzfunktion mit einem Versorgungsspannungsbereich von etwa 24 Volt bis etwa 240 Volt aufgebaut werden kann. Abschaltgrenzen automatisch abhängig von der an den Steuerkontakten AI, A2 (, A3) anliegenden Versorgungsspannung ermittelt. Hierdurch können die Spannungsvarianten des Motorstarters von insgesamt ca. vier auf eine Variante reduziert werden. Der erfindungsgemäße Motorstarter kann auch mit mehreren Spannungsvarianten aufgebaut werden.

Claims

Ansprüche
Elektronischer Motorstarter (10) aufweisend einen als Leistungshalbleiter ausgeführten Hauptschalter (1), der ein
Halbleiterschütz bildet und mindestens einen Halbleiterschalter zum Schalten einer Phase einer Hauptstromversorgung einer Motorwicklung aufweist, wobei ein erster Anschluss jedes Halbleiterschalters mit einem
entsprechenden ersten Hauptstromkontakt (L1-L3) des Motorstarters (10) verbunden ist, einen als Halbleiterschalter ausgeführten und zwischen mindestens ein Paar von Hilfskontakten (11, 12, 13, 14) des Motorstarters geschalteten
Hilfsschalter (2), eine elektronische Messwandlereinheit (3) zum Messen der Ströme der Phasen der Hauptstromversorgung, die zwischen einen zweiten Anschluss jedes Halbleiterschalters des Hauptschalters (1) und einen entsprechenden zweiten Hauptstromkontakt (T1-T3) des Motorstarters (10) geschaltet ist, und eine elektronische Steuereinheit (4) für den Hauptschalter (1) und den Hilfsschalter (2), die über Steuerkontakte (AI, A2) des Motorstartes (10) versorgt wird, der Messsignale der Messwandlereinheit (3) zugeführt werden und die ausgebildet ist, abhängig von der Versorgung über die Steuerkontakte (AI, A2) und/oder den Messsignalen den Hauptschalter (1) und/oder den Hilfsschalter
(2) zu steuern.
Motorstarter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine elektronische Meldungseinheit (6) aufweist, die von der elektronischen Steuereinheit (4) angesteuert wird und ausgebildet ist, optisch und/oder akustisch Meldungen zum Status des Motorstarters zu erzeugen.
3. Motorstarter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine elektronische Parametrierungseinheit (5) aufweist, die ausgebildet ist, mindestens einen Parameter für die elektronische Steuereinheit (4) vorzugeben.
4. Motorstarter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Parametrierungseinheit (5) ausgebildet ist, als Parameter für die elektronische Steuereinheit (4) mindestens einen der folgenden Parameter vorzugeben: einen Motornennstrom; eine Trägheitsklasse für eine
Überlastauslösung der Stromversorgung eines Elektromotors; ein Verhalten nach einer Überlastauslösung, insbesondere ein automatisches oder manuelles Wiedereinschalten.
5. Motorstarter nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Messwandlereinheit (3) Stromwandler und/oder Hall-Sensoren und/oder andere geeignete Messmittel zum Messen der Ströme der Phasen der Hauptstromversorgung aufweist.
6. Motorstarter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (4) ausgebildet ist, abhängig von einer an den Steuerkontakten (AI, A2) anliegenden Versorgungsspannung einen
Bemessungsspannungsbereich des Motorstarters einzustellen.
7. Motorstarter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als Leistungshalbleiter ausgeführte Hauptschalter (1) mehrere
Halbleiterschalter aufweist, die als Wendestarter verschaltet sind.
8. Motorstarter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als Leistungshalbleiter ausgeführte Hauptschalter (1) als Direktstarter ausgebildet ist, der für mindestens eine Phase der Hauptstromversorgung der Motorwicklung einen Halbleiterschalter, insbesondere für jede Phase der Hauptstromversorgung der Motorwicklung jeweils einen Halbleiterschalter aufweist.
9. Motorstarter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Schnittstelle aufweist, über die Prozessdaten aus dem Motorstarter ausgelesen und an eine Leitwarte übertragen und/oder Daten, insbesondere Parameter für die elektronische Steuereinheit (4), empfangen werden können.
10. Motorstarter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Komponenten (1-6) des Motorstartes (10) gemeinsam auf einem Trägerelement oder auf mehreren miteinander verdrahteten
Trägerelementen angeordnet und verdrahtet sind.
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