DE102005045072A1 - Frequency converter arrangement for use in e.g. machine tool, has single-piece wire-typed printed circuit board, on which frequency converter units are parallely connected, where converter units are arranged in matrix form on board - Google Patents

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Abstract

The arrangement has a single-piece wired-type rectangular printed circuit board (1), on which frequency converter units are parallely connected. A predetermined breaking point is arranged between the converter units, so that the converter units remain parallely connected in the printed circuit board during break in the breaking point by input and output lines (2, 3). The converter units are arranged in a matrix form on the printed circuit board and connected in the printed circuit board in four orthogonal directions by the lines. The converter units are designed for a multi-phase system. An independent claim is also included for a machine tool or motor with a frequency converter.

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.The The present invention relates to an inverter arrangement having a plurality independent Converter units. About that In addition, the present invention relates to a machine tool or a motor with such a converter arrangement.

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.frequency converter are usually provided in different performance classes. This is usually on a compact design of the converter components respected. These can, however, due to their size, many times difficult to adapt to different installation designs. Besides that is associated with the concentrated construction a high development effort, there every power class for must be developed.

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.So far converters are in a few performance classes, i. H. in a few different Performance levels, developed and manufactured. The user finds because of that Its special application rarely provides the optimum inverter performance. In this context, it is known several modular small drives to switch in parallel, but the cost of connection technology is relatively large.

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.Furthermore is an integration of a converter in a special electrical Machine only very roughly possible, unless the inverter is already in development at this Environment adapted. Also for This case is a modularization of small inverters for the parallel connection of larger powers advantageous, but the high cost of connection technology remains.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Umrichteranordnung bereitzustellen, die für zahlreiche Anwendungen hinsichtlich Bauraum und Leistung verbessert ist.The The object of the present invention is thus an inverter arrangement to provide for numerous applications in terms of space and performance improved is.

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.According to the invention this Task solved by a converter arrangement with several independent converter units and a one-piece wirewritten Printed circuit board on which the several inverter units are connected in parallel are, between the inverter units at least one predetermined breaking point is arranged so that the inverter units even when breaking at the breaking point by wires remain connected in parallel in the printed circuit board.

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.By the wirewritten circuit board may be the individual circuit board sections, represent the converter modules, advantageously from each other are aborted, and the wire connections remain undamaged. This means that after adjusting the inverter to the respective Installation space no wiring effort is necessary.

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.Preferably are the inverter units on the wire-printed circuit board arranged in a matrix and in four orthogonal directions each through at least two wires connected in the circuit board. This makes it possible by separating individual Inverter units a corresponding planar Umrichtergebilde with the desired performance manufacture.

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.The Inverter units can each for one Multiphase system, in particular a three-phase system, be designed wherein each inverter unit has a plurality of multi-phase input terminals and a plurality of multiphase output connections having. Especially in such multi-phase systems makes up the advantage of the reduced wiring effort noticeable.

Des Weiteren kann jede Umrichtereinheit einen Leistungsblock, eine Treiberschaltung und ein Strommessmodul aufweisen. Dadurch ist jede Umrichtereinheit individuell steuer- bzw. regelbar.Of Further, each inverter unit may include a power block, a driver circuit and a current measuring module. As a result, each inverter unit individually controllable.

An jeder der Umrichtereinheiten kann ferner ein Busanschluss vorhanden sein. Dadurch lässt sich der gesamte Umrichter sehr spezifisch steuern.At Each of the inverter units may also have a bus connection be. By doing so leaves the entire inverter is very specific.

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.Corresponding In a further development, each of the inverter units can be equipped with one temperature sensor be equipped and the entire converter arrangement have a temperature management device, so that the individual converter units depending on measured values of the temperature sensor are controllable. By appropriate temperature management, the Lifespan of each module can be extended on average.

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.In Advantageously, said converter arrangements in Machine tools or motors used. This is the respective Inverter arrangement in its contour to the corresponding housing Breakdown of converter units of the converter arrangement customized. That way you can very compact machines and motors with power-adapted converters getting produced.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:The The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings, in which: show:

1 einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen Umrichtereinheit und 1 a circuit diagram of a converter unit according to the invention and

2 eine Umrichteranordnung mit mehreren Umrichtereinheiten gemäß 1. 2 a converter arrangement with several according to 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.An inventive module of a frequency converter can the in 1 own symbolized structure. Accordingly, on a circuit board section 1 an input line 2 provided on all four sides of the rectangular printed circuit board section 1 Has connections. With respect to two opposite sides of the printed circuit board section 1 are the connection areas of the input lines 2 arranged axially symmetrically.

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.Parallel to the input line 2 runs an output line 3 also on all four sides of the rectangular printed circuit board 1 has corresponding connection points. Both the input line 2 as well as the output line 3 is designed in the present case for a three-phase system. This is due to the slashes on the respective lines in 1 indicated.

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.Essential components of in 1 shown frequency converter are the power block, consisting of rectifier 4 and inverters 5 , a corresponding driver circuit 6 and a current measurement module 7 , The input line 2 becomes the rectifier 4 fed to the inverter 5 fed. At the output of the inverter 5 There is a shunt resistor for each phase 8th , The individual outputs are then in the output line 3 merged.

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.The driver circuit 6 is a control unit 9 connected upstream to a communication bus 10 connected. The current measurement module 7 that supplies the current through the shunt resistors 8th can also be connected to the communication bus. Connections of the communication bus 10 are also in the respective areas 11 the connections of the input lines 2 and the output lines 3 , In the in 1 illustrated connection areas 11 thus are all connections of the input lines 2 , the output lines 3 and the communication bus 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.An inventive frequency converter now consists of a single circuit board on which several converter modules, as in 1 are shown, are arranged. The individual modules are as in 2 is shown, lined up in a matrix. In this arrangement, the individual modules are on the input lines 2 , the output lines 3 and the communication bus lines 10 interconnected because their connection areas 11 axisymmetric at the ent speaking points of the respective circuit board section 1 are located.

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.In the production are plate sections 1 . 1' and 1'' integrally connected, being between them in 2 Not shown break lines are located. The circuit board itself is realized as a wire-printed circuit board. This means that copper wires are applied to the copper laminations of the printed circuit board. Will now be a module, ie a circuit board unit 1 . 1' . 1'' , Abandoned from the other modules, so the connection is maintained over the copper wires between the separate circuit board sections. If certain modules are not required for a desired performance class, they are completely separated, ie also on the copper wires. The remaining remaining converter modules can be broken at the respective predetermined breaking lines, so that a flexible structure results, which remains electrically connected to each other. The modules are designed so that they can be connected in series as often as possible. With this construction, the frequency converter can be adapted to many mechanical constructions. One area of application would be, for example, the use in machine tools or electric motors. For this purpose, the frequency converter could be mounted in the housing of the machine tool or in or to the electric motor. Alternatively, the power-matched frequency converter could be connected to the appropriate number of inverter modules in an automotive engine, e.g. B. for hybrid drives, are fitted.

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.Each of the in the 1 and 2 In addition, the converter modules shown are equipped with a temperature measuring unit 12 fitted. Also this temperature measuring unit 12 is with the communication bus 10 connected. Through an intelligent temperature management, which in the temperature measuring unit 12 or can be carried out externally, the power or converter modules with a lower temperature in the partial load range are more heavily loaded. This leads to a longer life of the modules themselves.

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.By the modularity The power components can not only achieve the desired overall inverter performance be achieved very precisely, but also the interpretation and unbundling The inverter can be facilitated because fewer individual types of converters developed Need to become. About that In addition, the entire inverter is easy to scratch and break adaptable to different installation spaces at the intended locations, without any subsequent electrical Connections would have to be closed.

Claims (7)

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.Inverter arrangement comprising - a plurality of independent converter units characterized by - a one-piece, wire-printed circuit board, on which the plurality of converter units are connected in parallel, wherein - at least one predetermined breaking point is arranged between the converter units, so that the converter units are also broken off at the predetermined breaking point by wires ( 2 . 3 . 10 ) remain connected in parallel in the printed circuit board. 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.The converter arrangement according to claim 1, wherein the converter units are arranged matrix-like on the wire-written circuit board and in each case in at least two wires in four orthogonal directions. 2 . 3 . 10 ) are connected in the circuit board. 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.Converter arrangement according to claim 1 or 2, wherein the inverter units each for a multi-phase system are designed and each inverter unit several multi-phase input connections and a plurality of multi-phase output terminals. Umrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Umrichtereinheit einen Leistungsblock (4, 5), eine Treiberschaltung (6) und ein Strommessmodul (7) aufweist.Inverter arrangement according to one of the preceding claims, wherein each converter unit has a power block ( 4 . 5 ), a driver circuit ( 6 ) and a current measuring module ( 7 ) having. Umrichteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an jeder der Umrichtereinheiten ein Busanschluss (10) vorhanden ist.Converter arrangement according to one of the preceding claims, wherein at each of the inverter units a bus connection ( 10 ) is available. 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.Converter arrangement according to one of the preceding claims, wherein each of the converter units with a temperature sensor ( 12 ) and the converter arrangement has a temperature management device, so that the individual NEN converter units in dependence on measured values of the temperature sensor ( 12 ) are controllable. 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.Machine tool or motor with a housing and an inverter arrangement according to one of the preceding claims, wherein the inverter assembly in its contour to the housing by breaking apart is adapted by inverter units of the inverter assembly.
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