Stromrichteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung umfassend eine erste Halbleiteranordnung ausgestaltet für die Versor gung einer ersten elektrischen Maschine mit einem ersten Strom, eine zweite Halbleiteranordnung ausgestaltet zur Ver sorgung einer zweiten elektrischen Maschine mit einem zweiten Strom, ein erstes Strommessmittel ausgestaltet zur Ermittlung des der ersten elektrischen Maschine zugeführten ersten Stroms, ein zweites Strommessmittel ausgestaltet zur Ermitt lung des der zweiten Maschine zugeführten zweiten Stroms, ei ne Kontrolleinheit ausgestaltet mit einem ersten Ausgang zur Ausgabe einer ersten Regelgröße für die erste Halbleiterano rdnung und einem zweiten Ausgang zur Ausgabe einer zweiten Regelgröße für die zweite Halbleiteranordnung, wobei die Kon trolleinheit ausgestaltet ist, die Regelgrößen bereitzustel len, weiterhin ausgestaltet mit einem ersten Eingang, welcher mit dem ersten Strommessmittel in Verbindung steht, einem zweiten Eingang, welcher mit dem zweiten Strommessmittel in Verbindung steht.

Wird eine Stromrichteranordnung, beispielsweise ein Frequen zumrichter ausgeführt zwei Motoren oder Achsen gleichzeitig zu steuern, so sind in der Regel verlusterzeugende Leistungs- module, insbesondere Halbleiteranordnungen, in vielen Fällen thermisch in Reihe geschaltet. Für eine wirtschaftliche Aus führung, insbesondere für eine Lagerhaltung, sind die Halb- leitermodule für den ersten anzutreibenden Motor und den zweiten anzutreibenden Motor häufig identisch ausgeführt, wo durch im Gerät bezogen auf eine optimierte Fertigung eine ho he Gleichheit erreicht wird.

Werden aber beide Motoren später in einen realen Betrieb mit ihrem Bemessungsstrom betrieben, so besteht die Gefahr, dass die Halbleiteranordnung, beispielsweise für den zweiten Motor überhitzt wird, weil ein Kühlkörper unter den beiden Halblei- teranordnungen aufgrund der hintereinander angeordneten Halb- leitermodule, welche in diesem Fall thermisch in Reihe ge schaltet sind, bereits durch die erste Halbleiteranordnung für die erste elektrische Maschine vorgeheizt ist.

Aus der Praxis ist es bekannt und möglich, zur Kühlung von Halbleiter-Bauelementen, Kühlkörper einzusetzen.

Aus der EP 0340 520 Bl ist eine Anordnung zur konvektiven Kühlung von Bauelementen bekannt, die einen Kühlkörper auf weist, der aus zwei übereinander angeordneten Teilen zusam mengesetzt ist.

Die US 2008/150455 Al offenbart eine Steuereinheit für zwei Elektromotoren, welche darauf ausgelegt ist, die Bestromung der Spulen zu koordinieren, damit nicht eine Stromkomponente durch die falsche Spule fließt.

Die US 2015/295532 Al offenbart eine Steuerung für einen elektrischen Kompressor, wobei eine Drehzahl eines Motors vom Kompressionsmechanismus gesteuert wird.

Die US 2017/170097 Al offenbart einen Kühlköprer einer Leis tungseinheit auf dem ein erstes und ein zweites Leistungs halbleiterteil montiert sind.

Aus fertigungstechnischen Gründen und aufgrund eines einfa cheren konstruktiven Aufbaus und/oder einer platzsparenden Anordnung, beispielsweise in Stromrichteranordnungen, insbe sondere bei Frequenzumrichtern, werden die Halbleiteranord nungen, welche zur Ansteuerung eines Motors benötigt werden, oft auf einen gemeinsamen Kühlkörper zur Entwärmung angeord net. Diese Halbleiteranordnungen sind in Bezug auf eine Rich tung eines Kühlmedium-Flusses nacheinander platziert, wodurch eine thermische Reihenschaltung entsteht. Diese thermische Reihenschaltung führt zu einer abnehmenden Kühlwirkung, je weiter das jeweilige zu kühlende Halbleiter-Bauelement von einem Einlass des Kühlmediums entfernt ist. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Stromrichter- anordnung bereitzustellen, bei welcher es nicht vorkommt, dass der Betrieb einer zweiten Halbleiteranordnung aufgrund einer erreichten Grenztemperatur zur Zerstörung führt.

Die Aufgabe wird für die eingangs genannte Stromrichteranord nung dadurch gelöst, dass die Kontrolleinheit ausgestaltet ist, aus dem ersten Strom und dem zweiten Strom kontinuier lich einen Summenstrom zu bilden und den Summenstrom mit ei nem vorgebbaren Maximalwert zu vergleichen, wobei die Kon trolleinheit ein Speichermittel aufweist, in dem ein Priori tätsrang von einem Anwender eingebbar ist, wobei der Priori tätsrang den Vorrang einer der beiden Maschinen beschreibt, weiterhin ist die Kontrolleinheit ausgestaltet, bei Über schreiten des Maximalwertes denjenigen Strom der jeweiligen Maschine zu reduzieren, welche gemäß dem Prioritätsrang nicht den Vorrang hat.

Zum einen ist es hier von Vorteil, dass beispielsweise über einen Kundenparameter, nämlich dem Prioritätsrang, vorgegeben werden, welche der beiden elektrischen Maschinen priorisiert werden soll, falls beispielsweise bei einer elektrischen Ma schine ein höherer Summenstrom angefordert werden sollte.

Dann kann eine andere elektrische Maschine mit einer niedri geren Priorität, vielleicht braucht sie in dem Moment auch gar nicht bedient werden, zugunsten der anderen Maschine ab geschaltet oder deren Strom reduziert werden.

Dabei ist die Kontrolleinheit dazu ausgestaltet für die erste Maschine und für die zweite Maschine jeweils eine erste bzw. eine zweite Drehzahl und ein erstes bzw. ein zweites Drehmo ment zu erfassen, weiterhin ausgestaltet aus der ersten Dreh zahl und dem ersten Drehmoment eine erste Wirkleistung bzw. aus der zweiten Drehzahl und dem zweiten Drehmoment eine zweite Wirkleistung und aus den beiden Wirkleistungen eine Summenleistung zu ermitteln, aus der Summenleistung wird wie derum ein Zwischenkreis-Summenstrom ermittelt, welcher mit dem Maximalwert verglichen wird. Im Hinblick auf eine Einbauweise in einer industriellen Anla ge ist die Stromrichteranordnung mit besonderen Vorteil aus gestaltet als ein Einschubmodul mit einer senkrechten Einbau lage, wobei die erste Halbleiteranordnung und die zweite Halbleiteranordnung hintereinander gemeinsam auf einen Kühl körper angeordnet sind, wobei eine Längsachse des Kühlkörpers vertikal angeordnet ist und damit eine Strömungsrichtung für ein Kühlmedium durch das Einschubmodul parallel zur Längsach se entsteht und ein Einlass für das Kühlmedium unten und ein Auslass für das Kühlmedium oben angeordnet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn der Maximalwert derart gewählt ist, dass er kleiner ist als eine Summe aus einem ersten Bemessungsstrom der ersten Maschine und einem zweiten Bemessungsstrom der zweiten Maschine. Er findungsgemäß sollte verhindert werden, dass ein gleichzeiti ger Betrieb beider Maschinen mit ihrem Bemessungsstrom bei der Stromrichteranordnung bzw. seinem Kühlkörper eine Grenz temperatur erreicht, bei welcher ein Betrieb der zweiten Halbleiteranordnung nicht mehr zulässig ist oder zur Zerstö rung führen würde.

Mit anderen Worten wird der Summenstrom der beiden elektri schen Maschinen auf einen Wert begrenzt, der kleiner ist als die Summe der spezifizierten Nennströme für die Maschinen. Hierzu wird der Summenstrom der beiden elektrischen Maschinen von der Kontrolleinheit erfasst oder berechnet und auf einen Maximalwert begrenzt, der kleiner ist als die Summe der bei den Bemessungsströme der beiden elektrischen Antriebe. Bei spielsweise beträgt der Bemessungsstrom der beiden elektri schen Maschinen je 18 Ampere, so könnte der Summenstrom auch einen Wert von z.B. 30 Ampere begrenzt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die Kontrolleinheit ausgestaltet ist, bei Überschreiten des Maxi malwertes eine Schaltfrequenz der jeweiligen Halbleiteranord nungen zu reduzieren, welche gemäß den Prioritätsrang nicht den Vorrang hat. In dieser Ausführungsform kann zusätzlich zur Strombegrenzung die Schaltfrequenz einer der beiden Halbleiteranordnungen re duziert werden. Dies entspricht einer kleineren Wirkleistung und dementsprechend einer kleineren Verlustleistung, welche in Wärme umgesetzt wird.

Ein für die Einspeisung relevanter Strom am Zwischenkreis ergibt sich aus den Einzelbelastungen der angeschlossenen elektrischen Maschinen. Für jede elektrische Maschine kann aus deren Drehzahl und deren Drehmomentverlauf die benötigte Wirkleistung als Funktion der Zeit ermittelt werden. Die Wirkleistung ergibt sich zu P = M·w + P-Verluste. Die Summe der Wirkleistungen aller elektrischen Maschinen ergibt den Leistungsverlauf, der im Zwischenkreis tatsächlich anfällt.

Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Kontrolleinheit als eine überlagerte Steuerung ausgestaltet ist.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, dabei zeigt

FIG 1 eine Stromrichteranordnung in einem Schaltschrank,

FIG 2 den schematischen Aufbau einer Stromrichteranordnung mit einer Kontrolleinheit und

FIG 3 die Kontrolleinheit mit zusätzlichen Eingangsgrößen.

Gemäß FIG 1 ist ein Schaltschrank 14 dargestellt, in welchem eine Stromrichteranordnung 20 als ein Einschubmodul EM einge steckt ist. Die Stromrichteranordnung 20 wird durch eine überlagerte Steuerung 22 gesteuert. An die Stromrichteranord nung 20 ist eine erste Maschine Ml und eine zweite Maschine M2 angeschlossen. Die Stromrichteranordnung 20 versorgt die erste Maschine Ml mit einem ersten Strom Ili _st und die zweite Maschine M2 mit einem zweiten Strom I2i _St . Zur Kühlung einer ersten Halbleiteranordnung Hl und einer zweiten Halbleiteranordnung H2 innerhalb des elektrischen Mo duls EM bzw. der Stromrichteranordnung 20, weist das elektri sche Modul EM einen Einlass 12 auf. In den Einlass 12 kann aufgrund von Konvektion ein Kühlmedium 11 in Strömungsrich tung 10 einströmen und die erste Halbleiteranordnung Hl und die zweite Halbleiteranordnung H2 kühlen und aus einem Aus lass 13 wieder austreten. Da die erste Halbleiteranordnung Hl und die zweite Halbleiteranordnung H2 hintereinandergeschal tet sind, kann die zweite Halbleiteranordnung H2 nicht so ge kühlt werden wie die erste Halbleiteranordnung Hl, weil sich das Kühlmedium 11 bereits aufgeheizt hat. Darüber hinaus sit zen die erste Halbleiteranordnung Hl und die zweite Halblei teranordnung Hl in der Regel auf einen gemeinsamen Kühlkörper KK.

Um nun zu vermeiden, dass aufgrund einer thermischen Überlas tung, beispielsweise die zweite Halbleiteranordnung H2 nicht mehr betrieben werden darf oder sogar zerstört wird, wird ge mäß FIG 2 die Stromrichteranordnung 20 mit einer Kontrollein- heit 21 näher beschrieben.

Mit der FIG 2 ist die Stromrichteranordnung 20 dargestellt, umfasst so die erste Halbleiteranordnung Hl, welche ausge staltet ist zur Versorgung der ersten elektrischen Maschine Ml mit dem ersten Strom Ili _st und die zweite Halbleiteranord nung H2, welche ausgestaltet ist für die Versorgung der zwei ten elektrischen Maschine M2 mit dem zweiten Strom I2i _St . Die Stromrichteranordnung 20 umfasst weiterhin ein erstes Strom messmittel S1 ausgestaltet zur Ermittlung des der ersten elektrischen Maschine Ml zugeführten ersten Stroms Ili _st und ein zweites Strommessmittel S2 ausgestaltet zur Ermittlung des der zweiten elektrischen Maschine M2 zugeführten zweiten Stroms I2i _St . Die Kontrolleinheit 21 ist dabei dazu ausgestal tet mit einem ersten Ausgang Al zur Ausgabe einer ersten Re gelgröße II _soii für die erste Halbleiteranordnung Hl die ent sprechenden Regelgrößen zur Steuerung des Stromes für die erste elektrische Maschine Ml auszugeben. Weiterhin ist die Kontrolleinheit mit einem zweiten Ausgang A2 zur Ausgabe ei ner zweiten Regelgröße I2 _so n für die zweite Halbleiteranord nung H2 ausgestaltet. Die Kontrolleinheit 21 weist einen ers ten Eingang El auf, welcher mit dem ersten Strommittel S1 in Verbindung steht. Ein zweiter Eingang E2 der Kontrolleinheit 21 steht mit dem zweiten Strommessmittel S2 in Verbindung.

Die Kontrolleinheit 21 ist ausgestaltet aus dem ersten Strom Ilist und dem zweiten Strom I2i _St kontinuierlich einen Summen strom IS zu bilden und den Summenstrom IS mit einem vorgebba- ren Maximalwert Max zu vergleichen. Die Kontrolleinheit 21 weist ein Speichermittel SM auf, und dieses Speichermittel SM kann über einen Anwender 1 mit einem Prioritätsrang PR über ein Steuergerät parametriert werden. Der Prioritätsrang PR beschreibt den Vorrang einer der beiden Maschinen M1,M2, wel che im Falle einer Überlast auf jeden Fall noch mit ihrem Strom versorgt werden soll. Dazu ist die Kontrolleinheit 21 dazu ausgestaltet bei Überscheiten des Maximalwertes Max, al so der Summenstrom IS ist größer als der Maximalwert Max, denjenigen Strom Ilist,I2i _St der jeweiligen Maschine M1,M2 zu reduzieren, welcher gemäß dem Prioritätsrang PR nicht den Vorrang hat.

An die erste Halbleiteranordnung Hl ist schematisch die erste elektrische Maschine Ml als eine dreiphasige Maschine mit den Anschlüssen U1,V1,W1 angeschlossen. An die zweite Halbleiter anordnung H2 ist die zweite elektrische Maschine M2 als eine dreiphasige Maschine mit den Anschlüssen U2,V2,W2 angeschlos sen.

Die erste Halbleiteranordnung Hl und die zweite Halbleiteran ordnung H2 sind auf einen gemeinsamen Kühlkörper KK angeord net. Damit je nach Einbaulage nicht die eine Halbleiteranord nung H1,H2 oder die andere Halbleiteranordnung H1,H2 über hitzt, ist die Stromrichteranordnung 20 mit der Kontrollein heit 21 zur Abschaltung des jeweils nicht priorisierten Stro mes vorgesehen. Für eine weiter verbesserte Ermittlung eines Summenstromes IS bzw. eines Zwischenkreis-Summenstromes ZIS ist an die erste elektrische Maschine Ml ein erster Geber Gl und an die zweite elektrische Maschine M2 ein zweiter Geber G2 angeschlossen. Über die beiden Geber Gl und G2 kann die erste elektrische Maschine Ml eine erste Drehzahl NI und ein erstes Drehmoment MIO bzw. die zweite elektrische Maschine M2 eine zweite Dreh zahl N2 und ein zweites Drehmoment M20 an die Kontrolleinheit 21 übermitteln.

Die erste elektrische Maschine Ml und die zweite elektrische Maschine M2 sollen in der Regel mit ihren jeweiligen Nenn strömen I1 _N bzw. I2 _N und ihren Nennleistungen P1 _N und P2 _N be trieben werden.

Mit FIG 3 wird das zuvor beschriebene erweiterte Verhalten der Kontrolleinheit 21 hinsichtlich Drehzahlerfassung und Drehmomenterfassung beschrieben. Zur Ermittlung eines Zwi schenkreis-Summenstromes ZIS ist die Kontrolleinheit 21 wei terhin ausgestaltet für die erste elektrische Maschine Ml und die zweite elektrische Maschine M2 jeweils eine erste bzw. eine zweite Drehzahl N1,N2 und ein erstes bzw. ein zweites Drehmoment M10,M20 zu erfassen, weiterhin ausgestaltet aus der ersten Drehzahl NI und dem ersten Drehmoment Ml eine ers te Wirkleistung PI zu errechnen. Eine zweite Wirkleistung P2 wird aus der zweiten Drehzahl N2 und dem zweiten Drehmoment M20 errechnet. Aus den beiden Wirkleistungen P1,P2 wird eine Summenleistung PG ermittelt.

Diese Summenleistung PG lässt wiederum den Rückschluss auf ein Zwischenkreis-Summenstrom ZIS zu, und dieser Zwischen- kreis-Summenstrom ZIS darf ein Maximalwert Max nicht über schreiten. Dazu wird der Zwischenkreis-Summenstrom ZIS mit dem Maximalwert Max verglichen. Im Fall einer Überschreitung wird über ein Prioritätsschaltmittel PRS derjenige Strom für diejenige Maschine M1,M2 reduziert, welche gemäß den Priori tätsrang PR nicht den Vorrang hat. Als besonderer Vorteil wird angesehen, dass der Prioritäts rang PR als ein Kundenparameter vorgegeben werden kann, da nach kann ein Kunde bzw. ein Anwender 1 seinen Prioritätsrang PR je nach Applikation parametrieren. Dieser Parameter kann sogar im Betrieb der Stromrichteranordnung 20 verändert wer den und ermöglicht damit eine Anpassung der jeweiligen Anlage an Veränderungen einer Applikation.