DE102005045072A1 - Umrichteranordnung mit modularem Aufbau - Google Patents

Abstract

Ein Umrichter soll sowohl hinsichtlich seiner Leistung als auch seiner Kontur besser angepasst werden können. Hierzu ist eine Umrichteranordnung mit mehreren unabhängigen Umrichtereinheiten vorgesehen. Auf einer einstückigen, drahtgeschriebenen Leiterplatte sind mehrere Umrichtereinheiten (1, 1', 1'') parallel geschaltet. Dabei ist zwischen den Umrichtereinheiten (1, 1', 1'') mindestens eine Sollbruchstelle angeordnet, so dass die Umrichtereinheiten (1, 1', 1'') auch beim Brechen an der Sollbruchstelle durch Drähte in der Leiterplatte parallel geschaltet bleiben. Die Anzahl der Module kann je nach gewünschter Gesamtumrichterleistung gewählt werden. Durch das Auseinanderbrechen der Module ist das Umrichtergebilde in einem gewissen Rahmen räumlich flexibel.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umrichteranordnung mit mehreren unabhängigen Umrichtereinheiten. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Werkzeugmaschine oder einen Motor mit einer derartigen Umrichteranordnung.
• Frequenzumrichter werden in der Regel in verschiedenen Leistungsklassen zur Verfügung gestellt. Dabei wird meistens auf einen kompakten Aufbau der Umrichterkomponenten geachtet. Diese lassen sich aber, bedingt durch ihre Größe, vielfach nur schwer an verschiedene Einbaukonstruktionen anpassen. Außerdem ist mit dem konzentrierten Aufbau ein hoher Entwicklungsaufwand verbunden, da jede Leistungsklasse für sich entwickelt werden muss.
• Bislang werden Umrichter in wenigen Leistungsklassen, d. h. in wenigen verschiedenen Leistungsstufen, entwickelt und hergestellt. Der Anwender findet deswegen für seine spezielle Anwendung nur selten die optimale Umrichterleistung. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, mehrere modulare Kleinumrichter parallel zu schalten, wobei jedoch der Aufwand an Verbindungstechnik relativ groß ist.
• Darüber hinaus ist eine Integration eines Umrichters in eine spezielle elektrische Maschine meist nur sehr grob möglich, es sei denn, der Umrichter wird bereits bei der Entwicklung an diese Umgebung angepasst. Auch für diesen Fall ist eine Modularisierung von Kleinumrichtern zur Parallelschaltung größerer Leistungen von Vorteil, aber der hohe Aufwand an Verbindungstechnik bleibt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Umrichteranordnung bereitzustellen, die für zahlreiche Anwendungen hinsichtlich Bauraum und Leistung verbessert ist.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Umrichteranordnung mit mehreren unabhängigen Umrichtereinheiten und einer einstückigen drahtgeschriebenen Leiterplatte, auf der die mehreren Umrichtereinheiten parallel geschaltet sind, wobei zwischen den Umrichtereinheiten mindestens eine Sollbruchstelle angeordnet ist, so dass die Umrichtereinheiten auch beim Brechen an der Sollbruchstelle durch Drähte in der Leiterplatte parallel geschaltet bleiben.
• Durch die drahtgeschriebenen Leiterplatte können die einzelnen Leiterplattenabschnitte, die Umrichtermodule darstellen, in vorteilhafter Weise voneinander abgebrochen werden, und die Drahtverbindungen bleiben dabei unbeschädigt. Dies bedeutet, dass nach dem Anpassen des Umrichters an den jeweiligen Einbauraum kein Verdrahtungsaufwand notwendig ist.
• Vorzugsweise sind die Umrichtereinheiten auf der drahtgeschriebenen Leiterplatte matrixförmig angeordnet und in vier orthogonalen Richtungen jeweils durch mindestens zwei Drähte in der Leiterplatte verbunden. Damit ist es möglich, durch Abtrennen einzelner Umrichtereinheiten ein entsprechendes flächenhaftes Umrichtergebilde mit der gewünschten Leistung herzustellen.
• Die Umrichtereinheiten können jeweils für ein Mehrphasensystem, insbesondere ein Dreiphasensystem, ausgelegt sein, wobei jede Umrichtereinheit mehrere mehrphasige Eingangsanschlüsse und mehrere mehrphasige Ausgangsanschlüsse aufweist. Speziell bei derartigen Mehrphasensystemen macht sich der Vorteil des reduzierten Verdrahtungsaufwands bemerkbar.
• Des Weiteren kann jede Umrichtereinheit einen Leistungsblock, eine Treiberschaltung und ein Strommessmodul aufweisen. Dadurch ist jede Umrichtereinheit individuell steuer- bzw. regelbar.
• An jeder der Umrichtereinheiten kann ferner ein Busanschluss vorhanden sein. Dadurch lässt sich der gesamte Umrichter sehr spezifisch steuern.
• Entsprechend einer Weiterentwicklung kann jede der Umrichtereinheiten mit einem Temperaturfühler ausgestattet sein und die gesamte Umrichteranordnung eine Temperaturmanagementeinrichtung aufweisen, so dass die einzelnen Umrichtereinheiten in Abhängigkeit von Messwerten der Temperaturfühler steuerbar sind. Durch entsprechendes Temperaturmanagement kann die Lebensdauer der einzelnen Module durchschnittlich verlängert werden.
• In vorteilhafter Weise werden die genannten Umrichteranordnungen in Werkzeugmaschinen oder Motoren eingesetzt. Dabei wird die jeweilige Umrichteranordnung in ihrer Kontur an das entsprechende Gehäuse durch Auseinanderbrechen von Umrichtereinheiten der Umrichteranordnung angepasst. Auf diese Weise können sehr kompakte Maschinen und Motoren mit leistungsangepassten Umrichtern hergestellt werden.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
• 1 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Umrichtereinheit und
• 2 eine Umrichteranordnung mit mehreren Umrichtereinheiten gemäß 1.
• Ein erfindungsgemäßes Modul eines Frequenzumrichters kann den in 1 symbolisierten Aufbau besitzen. Demnach ist auf einem Leiterplattenabschnitt 1 eine Eingangsleitung 2 vorgesehen, die an allen vier Seiten des rechteckförmigen Leiterplattenabschnitts 1 Anschlüsse besitzt. Hinsichtlich zwei gegenüberliegender Seiten des Leiterplattenabschnitts 1 sind die Anschlussbereiche der Eingangsleitungen 2 achsensymmetrisch angeordnet.
• Parallel zu der Eingangsleitung 2 verläuft eine Ausgangsleitung 3, die ebenfalls an sämtlichen vier Seiten der rechteckförmigen Leiterplatte 1 entsprechende Anschlussstellen besitzt. Sowohl die Eingangsleitung 2 als auch die Ausgangsleitung 3 ist im vorliegenden Fall für ein dreiphasiges System ausgelegt. Dies ist durch die Schrägstriche an den jeweiligen Leitungen in 1 angedeutet.
• Wesentliche Bestandteile des in 1 dargestellten Frequenzumrichters sind der Leistungsblock, bestehend aus Gleichrichter 4 und Wechselrichter 5, eine entsprechende Treiberschaltung 6 sowie ein Strommessmodul 7. Die Eingangsleitung 2 wird dem Gleichrichter 4 zugeführt, der den Wechselrichter 5 speist. Am Ausgang des Wechselrichters 5 befinden sich für jede Phase ein Shunt-Widerstand 8. Die einzelnen Ausgänge sind dann in der Ausgangsleitung 3 zusammengeführt.
• Der Treiberschaltung 6 ist eine Steuereinheit 9 vorgeschaltet, die an einen Kommunikationsbus 10 angeschlossen ist. Das Strommessmodul 7, das den Strom über die Shunt-Widerstände 8 misst, kann ebenfalls an den Kommunikationsbus angeschlossen sein. Anschlüsse des Kommunikationsbusses 10 befinden sich ebenfalls in den jeweiligen Bereichen 11 der Anschlüsse der Eingangsleitungen 2 und der Ausgangsleitungen 3. In den in 1 dargestellten Anschlussbereichen 11 befinden sich somit sämtliche Anschlüsse der Eingangsleitungen 2, der Ausgangsleitungen 3 und des Kommunikationsbusses 10.
• Ein erfindungsgemäßer Frequenzumrichter besteht nun aus einer einzigen Leiterplatte, auf der mehrere Umrichtermodule, wie sie in 1 dargestellt sind, angeordnet sind. Die einzelnen Module sind, wie in 2 dargestellt ist, matrixförmig aneinandergereiht. Bei dieser Anordnung sind die einzelnen Module an den Eingangsleitungen 2, den Ausgangsleitungen 3 und den Kommunikationsbusleitungen 10 miteinander verschaltet, da sich deren Anschlussbereiche 11 achsensymmetrisch an den ent sprechenden Stellen des jeweiligen Leiterplattenabschnitts 1 befinden.
• Bei der Herstellung sind Plattenabschnitte 1, 1' und 1'' einteilig miteinander verbunden, wobei sich zwischen ihnen in 2 nicht dargestellte Sollbruchlinien befinden. Die Leiterplatte selbst ist als drahtgeschriebene Leiterplatte realisiert. Dies bedeutet, dass auf den Kupferkaschierungen der Leiterplatte Kupferdrähte aufgebracht sind. Wird nun ein Modul, d. h. eine Leiterplatteneinheit 1, 1', 1'', von den übrigen Modulen abgebrochen bzw. abgetrennt, so bleibt die Verbindung über die Kupferdrähte zwischen den getrennten Leiterplattenabschnitten erhalten. Werden für eine gewünschte Leistungsklasse gewisse Module nicht benötigt, so werden sie komplett, d. h. auch an den Kupferdrähten, abgetrennt. Die übrigen verbleibenden Umrichtermodule können an den jeweiligen Sollbruchlinien gebrochen werden, so dass sich ein flexibles Gebilde ergibt, das elektrisch miteinander verbunden bleibt. Dabei sind die Module so entwickelt, dass sie möglichst oft in Reihe geschaltet werden können. Mit dieser Konstruktion lässt sich der Frequenzumrichter an sehr viele mechanische Konstruktionen anpassen. Ein Anwendungsbereich wäre beispielsweise die Verwendung bei Werkzeugmaschinen oder Elektromotoren. Hierzu ließe sich der Frequenzumrichter in das Gehäuse der Werkzeugmaschine oder in bzw. an den Elektromotor montieren. Alternativ könnte der leistungsangepasste Frequenzumrichter mit der entsprechenden Anzahl an Umrichtermodulen in einen Kraftfahrzeugmotor, z. B. für Hybridantriebe, eingepasst werden.
• Jedes der in den 1 und 2 dargestellten Umrichtermodule ist darüber hinaus mit einer Temperaturmesseinheit 12 ausgestattet. Auch diese Temperaturmesseinheit 12 ist mit dem Kommunikationsbus 10 verbunden. Durch ein intelligentes Temperaturmanagement, welches in der Temperaturmesseinheit 12 oder extern durchgeführt werden kann, werden die Leistungs- bzw. Umrichtermodule mit geringerer Temperatur im Teillastbereich stärker belastet. Das führt zu einer längeren Lebensdauer der Module selbst.
• Durch die Modularität der Leistungsteile kann nicht nur die gewünschte Gesamtumrichterleistung sehr genau erreicht werden, sondern auch die Auslegung und Entflechtung des Umrichters erleichtert werden, da weniger Einzeltypen von Umrichtern entwickelt werden müssen. Darüber hinaus ist der gesamte Umrichter einfach durch Einritzen und Brechen an den vorgesehen Stellen an unterschiedliche Einbauräume anpassbar, ohne dass nachträglich elektrische Verbindungen geschlossen werden müssten.

Claims (7)

1. Umrichteranordnung mit – mehreren unabhängigen Umrichtereinheiten gekennzeichnet durch – eine einstückige drahtgeschriebene Leiterplatte, auf der die mehreren Umrichtereinheiten parallel geschaltet sind, wobei – zwischen den Umrichtereinheiten mindestens eine Sollbruchstelle angeordnet ist, so dass die Umrichtereinheiten auch beim Brechen an der Sollbruchstelle durch Drähte (2, 3, 10) in der Leiterplatte parallel geschaltet bleiben.
2. Umrichteranordnung nach Anspruch 1, wobei die Umrichtereinheiten auf der drahtgeschriebenen Leiterplatte matrixförmig angeordnet sind und in vier orthogonalen Richtungen jeweils durch mindestens zwei Drähte (2, 3, 10) in der Leiterplatte verbunden sind.
3. Umrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Umrichtereinheiten jeweils für ein Mehrphasensystem ausgelegt sind und jede Umrichtereinheit mehrere mehrphasige Eingangsanschlüsse und mehrere mehrphasige Ausgangsanschlüsse aufweist.
4. Umrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Umrichtereinheit einen Leistungsblock (4, 5), eine Treiberschaltung (6) und ein Strommessmodul (7) aufweist.
5. Umrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an jeder der Umrichtereinheiten ein Busanschluss (10) vorhanden ist.
6. Umrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Umrichtereinheiten mit einem Temperaturfühler (12) ausgestattet ist und die Umrichteranordnung eine Temperaturmanagementeinrichtung aufweist, so dass die einzel nen Umrichtereinheiten in Abhängigkeit von Messwerten der Temperaturfühler (12) steuerbar sind.
7. Werkzeugmaschine oder Motor mit einem Gehäuse und einer Umrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umrichteranordnung in ihrer Kontur an das Gehäuse durch Auseinanderbrechen von Umrichtereinheiten der Umrichteranordnung angepasst ist.