电动马达驱动机构 【技术领域】
本发明涉及为电梯特别设计、如权利要求1的前序部分限定的一种交流电动马达驱动机构。
背景技术
图1呈现了可用于交流电动马达，最好是三相电动马达1的控制和调节的现有技术的电梯的电动马达驱动机构。该电动马达驱动机构包括变频器2，该变频器2包括通过中间电路23连接到一起的整流器21和逆变器22。该整流器21的输入端连接到交流电源，例如三相电源、电网SV，并且其输出端为该中间电路产生直流电压UC，该电压具有可调或恒定幅度。该中间电路包括连接在该整流器21的两个输出端之间地具有大值的电容器23a，一般为电解电容，将直流电压UC施加到其两端。直流电压UC被馈送到逆变器22的输入端。
该变频器2还包括逆变器控制单元24、24b，依靠其控制逆变器22和电动马达1的操作。如果使用二极管桥实现该整流器21，则其操作不受控制并不需要单独的控制单元。如果该整流器21包括可控制半导体开关，则该整流器21需要提供控制单元24、24a，用于控制整流器21的操作，和尤其是中间电路直流电压UC的幅度。利用该控制单元24、24b控制的逆变器22，为该电动马达3产生可调频率的三相电压和电流，使得该马达的旋转速度在零和预定最大速度之间变化。该逆变器22也用于选择相位序列，即该马达的旋转方向。
一般利用半导体开关实现整流器21和逆变器22。这样的半导体开关包括例如闸流晶体管、三端双向可控硅开关元件、MOSFET和IGBT(栅极绝缘双极晶体管)。该整流器和该逆变器最好实现为相同IGBT(栅极绝缘双极晶体管)桥电路。图2呈现了这样的桥电路。该桥电路包括在图3中成对并联的六个IGB晶体管3；31，32，33，34，35，36。当安排该IGBT桥电路用作整流器21时，每一电压相位R、S、T连接到对应IGB晶体管对31，32，33，34，35，36的晶体管之间的整流器输入端IN1，并通过这些晶体管连接到该整流器的输出端OUT1的正端和负端。当安排该IGBT桥电路用作逆变器22时，将其输入和输出端与整流器配置中不同地连接为IN2、OUT2；将该中间电路直流电压UC穿过并联的IGB晶体管对而施加到输入端IN2，并从各晶体管对的晶体管之间的点获得输出端OUT2的每一交流相电压。
假设变频器2的输入和输出侧，即电源侧和马达侧，分别为第一和第二接触器4、5。两个接触器具有与相数对应的多个开关，在这种情况下为三个开关。通过该第一或输入接触器4，该变频器2与最好是电网SV的交流电源的不同相R、S、T相连。类似地，通过该第二接触器5，该电动马达1与该变频器2的输出端相连。当该接触器4、5断开时，没有电力从电源通过变频器2传送到马达1。当该接触器4、5闭合时，从电源SV向马达1提供电力。最好通过公共控制开关15控制所述第一和第二接触器4、5。当接触器4、5将要闭合以开始向该马达提供电力时，该公共控制开关15闭合(类似地，当将要中断向马达1提供电力时，接触器4、5断开)。特别在电梯应用中的上述开关配置的主要目的是保证电动马达和电梯总体上的安全运行。
利用接触器4、5的问题在于它们需要定期维护并具有有限的使用寿命(例如2年)。另一个缺陷在于接触器的操作而产生的噪音，这是由接触器的连接元件的快速移动和突然停止而产生的。另一个问题由接触器的电磁干扰引起。接触器也增加电动马达驱动机构的价格。
先前从欧洲专利申请EP-1037354得知的用于电梯的电动马达驱动机构大体上对应于图1呈现的马达驱动机构，但具有以下区别。在逆变器和电动马达之间不提供接触器。通过光开关(optoswitch)提供控制脉冲到该逆变器桥电路的每一半导体开关IGBT，其中通过安全继电器附加监视和控制提供到其发光二极管的电压。当启动该安全继电器时，中断向该发光二极管提供电压，并且该控制单元发送的控制脉冲不能通过该光开关到达该半导体开关IGBT的栅极G。中断通过逆变器向该马达提供电力，并且该马达停止。
根据前述EP申请的电动马达驱动机构的一个缺陷在于其仅提供上述接触器问题的部分解决方案。而且，在该逆变器输入端提供接触器，通过接触器将交流电从三相网络提供到变频器，并进一步提供到该电动马达。
【发明内容】
本发明的目的在于消除与通常接触器的使用关联的问题。本发明旨在实现一种新的可靠和安全的电动马达驱动机构。本发明的特定目的在于实现用于电梯的电动马达驱动机构或等同，使得用作能量部件的电动马达能以完全不使用接触器的方式连接到电源并同样从该电源断开。
本发明的电动马达驱动机构的特征在于权利要求1所呈现的。从属权利要求中呈现了本发明的优选实施例。
本发明用于操作交流马达的电动马达驱动机构包括用于控制该马达的变频器，所述变频器包括利用安排为桥电路的半导体开关而实现的整流器和逆变器、以及放置在该整流器和该逆变器之间的中间电路，所述中间电路提供有电容器。根据本发明，该电动马达驱动机构另外包括两个调节单元，第一个调节单元包括：在该变频器的输入端、同时在该整流器的输入端提供的电感器单元，该单元中的电感器与每一相相连；和具有50μF数量级的低值电容器的中间电路；而该第二个调节单元包括：辅助开关，安排向其的电力供应通过安全继电器发生，所述辅助开关与该逆变器桥的每一半导体开关相连，使得当其处于导通状态时，每一半导体开关的控制信号将通过该辅助开关；和用于测量向该电动马达提供的电流的电流测量单元。
在本发明的最优选的实施例中，该第二控制单元包括：辅助开关，安排向其的电力供应通过安全继电器发生，所述辅助开关与该逆变器的上部桥的每一半导体开关相连，使得当其处于导通状态时，每一半导体开关的控制信号将通过该辅助开关；用于监视和/或测量向该电动马达提供的电流的电流测量单元；和与该逆变器的下部桥中的每一半导体开关相连的电流监视单元。
本发明的最重要的优点在于可无需接触器，即无需机械开关元件而实现该电动马达驱动机构。这意味着可靠性的改善，因为该电动马达驱动机构不再具有任何易于磨损的活动开关元件；而这些被替换为电子电路和/或组件。本发明提供了消除该机械接触器引起的噪音问题的优点。本发明具有的优点在于，机械接触器的去除允许实现安装和维护成本的节约。
本发明还具有的优点在于可明显增加该电动马达驱动机构的工作温度，最好从20℃的下限直到100℃。可降低冷却元件的尺寸，引起空间和成本的节约。
本发明的另一个优点在于在变频器的中间电路中使用例如50μF的低值电容器。这些电容器是耐用和便宜的塑料或纸电容器。在该电路中先前使用的电容器是电解结构的湿高值电容器，一般是1000μF。这些组件易于磨损并不得不相对频繁地更新。
至于本发明的其他优点，使用以下一般评论。可降低该电动马达驱动机构的谐波失真，因为与现有技术相比，明显降低了中间电路电容器的值。另外，使得该电动马达的动态制动成为可能而无需添加任何机械器材。在本发明的最优选实施例中，动态制动基于控制该逆变器的新配置。
【附图说明】
下面，将参考附图详细描述本发明及其他优点。
图1呈现一种现有技术的电动马达驱动机构；
图2呈现整流器和逆变器桥电路的轮廓图；
图3呈现适于该桥电路的有利的半导体开关；
图4呈现根据本发明的电动马达驱动机构的输入电路、整流器和中间电路的轮廓图；
图5呈现替换的中间电路；
图6呈现在本发明的电动马达驱动机构中使用的逆变器的轮廓图；和
图7呈现图5的逆变器的半导体开关和监视单元的电路图。
【具体实施方式】
以上在现有技术的描述中描述了图1、2和3。在下面，将具体参考图4-7来考虑本发明。
在图4-7中，用相同的附图标记表示彼此对应的组件。
在图4中显现了根据本发明的电动马达驱动机构。该电动马达驱动机构用于调节和控制交流马达，在本例中为三相同步马达10。该电动马达驱动机构包括变频器6，该变频器6也包括整流器61和逆变器62。该整流器61和逆变器62通过合适的中间电路63彼此相连。该整流器61的输入端通过电感器单元7连接到例如三相电源的交流电源、例如电网SV。该电感器单元7包括连接到每一相R、S、T的电感器71、72、73。该整流器61最好包括利用半导体开关实现的桥，例如图2中呈现的桥。该整流器61的输出端连接到该中间电路63。该中间电路63包括在该整流器61的输出端之间连接的至少一个电容器63a，穿过该电容器施加整流电压UC。
根据本发明，该电动马达驱动机构另外包括两个调节单元。该第一控制单元包括电感器单元7，该电感器单元7连接到该变频器6的输入端，并因此连接到该整流器61的输入端，以及具有大约50μF数量级的低值的中间电路63的电容器63a。
在本发明的电动马达驱动机构中，该中间电路63中的电容器63a是基本上具有比现有技术电动马达驱动机构较低值的电容器。该电容器的值典型为1000μF，然而在本发明的解决方案中，其典型为大约50μF的数量级，最好在10-100μF之间。因而，该中间电路63的电容器63a的值仅是先前使用的电容器的值的5-10％或甚至低于该值。已基于电动马达紧急停止的情况在该中间电路中使用大电容器，此时马达中存储的能量不得不放电到中间电路63中的足够大的电容器。减小该电容器尺寸也导致中间电路63的较大电压变化，并依次产生对逆变器62的半导体的附加压力。然而，现代半导体开关，尤其是IGBT，能不受损害地忍受相对大的电压变化。另外，应注意为了允许该电动马达驱动机构没有接触器地连接到三相电网或等同，该中间电路电容器63a的尺寸不得不减小。
该电感器单元7中的电感器71、72、73与相R、S、T输入端串联。特别设计它们以限制浪涌电流。同时，适合认为它们匹配该中间电路63的电容器63a。
图5表示替换的中间电路631，其包括与整流器61的输出端之间的电容器63a串联的开关63b。利用该开关，可进一步减小该浪涌电流。
减小该中间电路63的电容器63a的值带来显著的优点。首先，现在无需利用大电解电容可实现该中间电路，该大电解电容可视作易受磨损的组件。其最大工作温度是大约60℃的数量级，然而在本发明的中间电路中，可能使用例如具有大约90℃数量级的工作温度的纸电容器或对应的干电容器。另外，纸电容器或对应的干电容器具有明显较长的使用寿命；它们不象电解电容器一样在使用中易磨损。而且，降低电容器63a的值也具有作为优点的降低该电动马达驱动机构的谐波失真的效果。以这种方式，也实现小扭矩滞后。另一个优点在于现在在该电感器单元7中可使用低价位电感器71、72、73。
该变频器6包括逆变器控制单元64、64b，用于控制逆变器62和该电动马达10的操作。最好利用例如IGBT的可控制半导体开关实现该整流器61，从而可由整流器控制单元64、64a控制其功能。在这种情况下，也在控制单元64、64b的控制下，该逆变器62为该电动马达10产生可控制频率的三相电压和电流，使得该马达的旋转速度在零和预定最大速度之间变化。也通过逆变器62选择该相位序列，即马达的旋转方向。在正常操作下，以完全公知的方式控制该逆变器62，所以在这里将不更详细讨论它们。
图6呈现了逆变器62的优选实施例。该逆变器62的开关单元11安排为桥，即桥电路，如上述现有技术逆变器一样。该桥电路中的所有开关单元11：111、112、113、114、115、116包括半导体开关12，最好是IGBT开关。该逆变器62的桥电路可分为上部桥62a(正电压提供侧)和下部桥62b(负电压提供侧)。
根据本发明的第二控制单元包括辅助开关13；131、133、135，将馈送到其的电力安排为通过安全继电器9发生。在上部桥62a的开关单元11；111、113、115中，将辅助开关13；131、133、135连接到每一半导体开关12；121、123、125，使得当辅助开关为导通状态时，每一半导体开关的控制信号将通过该辅助开关。另外，第二监视单元提供有电流测量单元8，用于测量提供到该电动马达的电流，并提供有与下部桥62b中的每一半导体开关12；122、124、126相连的电流监视单元14。
上部桥62a的开关单元11；111、113、115包括辅助开关13；131、133、135，而下部桥的开关单元11；112、114、116最好仅包括半导体开关12；122、124、126，例如IGBT。每一上部桥开关单元11；111、113、115中的辅助开关13；131、133、135与对应半导体开关12；121、123、125的控制端相连，该情况下与IGBT开关的栅极G相连。辅助开关13；131、133、135的电压供应端再通过安全继电器9连接到合适的直流电压U。
安排辅助开关13；131、133、135如下工作。在正常情况下，该辅助开关处于导通状态，换言之，来自该控制单元64、64b的半导体开关12的控制脉冲可直接从开关单元11的输入端IN(图7)穿过到实际半导体开关的控制端，在该情况下到半导体开关IGBT的栅极G。根据每一半导体开关12的控制(导通/不通)，该中间电路13的直流电压UC穿过该开关或不穿过该开关；半导体开关12；121、123、125在控制脉冲控制的正常方式下工作。在该情况下，安全继电器9被给与电压并导通，因此每一辅助开关13；131、133、135在正常方式下工作，即导通。当该安全继电器9遗失保护电压时，其释放(断开电路)并且提供到辅助开关13；131、133、135的电压U消失，结果是它们停止导电并且流过该开关的电流中断。所以，来自该控制单元64、64b的控制脉冲不再被传递到对应半导体开关12；121、123、125，并且中断将电流通过逆变器62和相导体U、V、W提供到该电动马达10。
由电流测量单元8(见图4)监测在每一相U、V、W中提供到该电动马达10的电流。该单元包括符合每一相的测量元件81、82、83。该电流测量单元8连接到该控制单元64、64b。基于从电流测量单元8获得的电流数据，可控制提供到电动马达10的电流，它也提供知道电力何时中断的可靠方式。
该控制单元64、64b还包括电流监视单元14，其可为例如通过软件实现的电流监视部件。最好利用例如IGBT的简单半导体开关12；122、124、126实现逆变器62的下部桥62b中包含的开关单元11；112、114、116。当以正常方式控制该马达时，可由控制单元64、64b控制这些半导体开关。当该电流测量单元8表明不再提供电流到该马达10时，该电流监视单元14将馈送控制脉冲到下部桥开关单元11；112、114、116，其上这些单元的半导体开关12；122、124、126开始导通，从而短路该下部桥62b。该动作启动旋转电动马达10的动态制动，所以其快速停止。
图7表示上部桥62a的开关单元11；111、113、115的优选实施例。这里通过利用开关晶体管13a而简单地实现辅助开关13；131、133、135。工作电压U通过安全继电器9跨接到辅助开关13的开关晶体管13a。当电压U占优势时，该控制脉冲可从控制单元64、64b传递到半导体开关12的控制端。
将开关晶体管13a的发射极E通过安全继电器9连接到电压U。集电极C通过电阻链而接地。从控制单元64、64b，例如IGBT的半导体开关12的控制脉冲被施加到晶体管131的基极B。从晶体管的集电极C，该控制脉冲被无失真地发送到该半导体开关12的控制端G。这就是当安全继电器9及其开关单元处于通电状态时发生的事情，允许电压U连接到晶体管131的发射极E。当安全继电器9启动和释放时，阻止电压U向晶体管131的传递，其上晶体管停止导通，并且控制脉冲不再从其基极B传递到集电极C或该半导体开关12的控制端G。
可替换地，可利用与上部桥62a构造相同的下部桥62b实现该逆变器62(图6)。在该情况下，在该逆变器62的所有开关单元11中提供辅助开关13。安排向所有辅助开关13的电力供应通过安全继电器9发生。当该辅助开关13处于导通状态时，即当该辅助开关13提供有通过安全继电器9的电压U时，安排该开关单元11的每一半导体开关12的控制信号通过该辅助开关。当该安全继电器9的保护电压消失时，所有辅助开关13将停止导通并且没有控制脉冲能到达任何半导体开关12，所以向该电动马达10的电流供应被中断。在该配置下，还首先(in the first place)使用电流测量单元8以确定向电动马达的电流供应是否存在。然而，因为在该情况下失去了动态制动的可能性，所以该配置不如图6的实施例示例一样有利。
本发明不限于上述实施例示例；相反，在权利要求限定的本发明的范围内，许多修改都是可能的。