变流器装置、驱动系统和输送设备的制作方法

本实用新型涉及一种变流器装置，其具有电网侧的变流器、负载侧的变流器、中间电路和制动电阻，其中，电网侧的变流器和负载侧的变流器经由中间电路在直流电压侧相互连接，其中，电网侧的变流器设计为二极管整流器。本实用新型还涉及具有这样的变流器装置的驱动系统，其中，电网侧的变流器与供电网连接，并且负载侧的变流器与电机电连接。此外，本实用新型涉及具有至少一个这样的驱动系统的输送设备，其中，输送设备设计用于使得输送物料从第一位置运输到第二位置。本实用新型还涉及用于通过这样的变流器装置吸收电能的方法以及用于制动这样的驱动系统或者这样的输送设备的方法。本实用新型还涉及这样的变流器装置的应用。

背景技术：

变流器装置用于为耗电器、特别是电机和连接在其上的也被称为负载的耗能器供应电能。在此，这样的变流器装置具有电网侧的变流器、负载侧的变流器和中间电路。电网侧的和负载侧的变流器在直流电压侧经由中间电路相互连接。对于能反馈的耗能器、即对于不仅能够从供电网中吸收能量还能够给其供能的耗能器来说合适的是，设置用于存储这些耗能器的能反馈的变流器装置。该能反馈的变流器装置不仅在电网侧还在负载侧具有能控制的半导体开关，从而能够将电能经由该变流器装置在两个方向上传输。为了减少变流器装置的成本，通常放弃能反馈的输入电路。在此，变流器装置的电网侧的变流器作为能控制的半导体开关的替代而仅具有带有二极管的、也被称为二极管整流器的电路。利用该二极管整流器仅能够实现将能量从供电网传输到中间电路中。利用该二极管整流器不能实现将能量从中间电路反馈到供电网。由能反馈的耗能器提供的能量因此不能反馈到供电网中。在许多应用中，该能量借助于制动电阻转化为热能。对此，制动电阻经由半导体开关与变流器装置的中间电路连接。开关和制动电阻的组合也被称为制动调节器。借助于半导体开关能够控制或者调节转化为热量的能量。可替换地，制动能量也能够转换为电机的热量损失。相应的方法作为超同步的制动被已知。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，简化用于制动电驱动装置的变流器装置，并且同时能够实现安全的和可靠的制动。

该目的通过具有电网侧的变流器、负载侧的变流器、中间电路和制动电阻的变流器装置实现，其中，电网侧的变流器和负载侧的变流器经由中间电路在直流电压侧相互连接，其中，电网侧的变流器设计为二极管整流器，并且其中，制动电阻借助于机械开关能与中间电路电连接。该目的还通过具有这样的变流器装置的驱动系统实现，其中，电网侧的变流器与供电网连接，并且负载侧的变流器与电机连接，并且其中，电机设计为异步电机。此外，该目的通过具有至少一个这样的驱动系统的输送设备实现，其中，输送设备设计用于使得输送物料从第一位置运输到第二位置，其中，输送物料在第一位置中具有比在第二位置中更高的势能。该目的还通过用于制动这样的驱动系统或者这样的输送设备的方法实现，其中，为了制动电机而中断到供电网的电连接，其中，机械开关闭合并且直到电机处于停止状态为止都保持在闭合状态中，从而使得制动电阻直到停止状态为止都与中间电路导电地连接。此外，该目的通过用于位置固定的驱动装置的该变流器装置的应用实现。

本实用新型的理念在于，能够通过如下方式改进变流器装置，即用于对在电机上例如以转动能形式存在的动能进行转换的制动电阻经由机械开关、例如断路器或真空接触器与中间电路连接。因此能够将电机的能量和耦连在该机器上的负载的能量以简单的方式转换为热能。对此，能将能量从中间电路供给到电网中的、能反馈的电网侧的变流器是不必要的。同样地，能够放弃电机或负载上的易磨损的、机械的制动器。因此，不仅省去用于该机械的制动器的成本，还省去由磨损导致的成本。对此作为例如制动块和/或制动盘的替代，其能够利用根据本实用新型的变流器装置被省去。

通过使用替代半导体开关的机械开关，能够明显简化变流器装置的结构。半导体开关通常要求用于开关半导体开关的特殊的驱控单元，而机械开关的驱控经由简单的开关触点实现。此外，机械开关对于在开关中例如由于电流流动时的损耗所产生的温度不敏感。对此，为了保护半导体开关通常设置高成本的温度监视装置，在其中监视例如是阻挡层温度的半导体温度。该高耗费的和因此高成本的监视装置能够被放弃。其在制动器的高可用性要求上刚好是有利的，因为制动器的可用性不取决于半导体开关的温度。因此，在半导体开关中通常对制动调节器进行超规格设计。在应用机械开关时能够放弃该部分过于昂贵的超规格设计。

在通过闭合机械开关来制动电机以使电机停止的情况中有利的是，停止电网侧的变流器的来自供电网的能量输送。这能够例如通过断开开头所述的断路器实现。在各种应用中，供电网的隔离也由客户要求或者安全要求而被强调地要求。在此，负载侧的变流器在该情况、即制动时发电机式地继续工作并且通过在机器侧的调节来维持在电机和中间电路中的通量。在此，中间电路电压能够采用大于或等于当前的电机端电压的1.35倍的任何值。其能够但非必须地随着降低的电机转速而减少。因此，制动功率能够在一定范围中进行设置。该设置通过选择制动电阻的电阻值实现。

供电网的隔离也能够通过如下方式实现，即中间电路电压在制动过程期间采用使二极管整流器的二极管截止的值。该设置也通过选择制动电阻的电阻值来实现。

因此，在该变流器装置中能够放弃用于使制动电阻与中间电路电连接的半导体开关以及其驱控和监视电路。该装置仅要求与旋转的系统中存储的能量相协调的电阻和用于实现在中间电路和制动电阻之间的导电连接的机械开关。

此外证明了有利的是，机械开关在无电压的状态下闭合。因此，在电压中断时仅必须还为负载侧的变流器供应电压，以便也在电压中断时还能够使电机可靠地制动或者调节到停止状态。

在应用半导体开关时显示的是，为了接通制动电阻而应用的半导体开关经受比负载侧的变流器的半导体开关更大的负荷。这首先是不被期望的，因为这些半导体开关布置在相同的中间电路处，并且因此必须在断开的状态下截止相同的截止电压。然而其对于负载侧的变流器的半导体开关来说起正面作用的是，其在运行中定期地、甚至在一秒中多次(脉宽调制)地进入导通状态。制动电阻的半导体开关在电机从中间电路吸收能量的正常情况中处于截止、即断开的状态中。因此，中间电路电压作为截止电压持久地施加在制动电阻的半导体开关上，并且导致比其它在统计学上可以期望的更高的故障概率。因此，为了提高变流器装置的可用性而证实合理的是，由机械开关替换制动电阻的半导体开关。因此，该电路布置也正好对于异步电机来说是特别有利的，其在制动过程中还要求负载侧的变流器的正常作用，以便在机器中产生通量。因此，当制动电阻的半导体开关被机械开关替换时，能够特别在将异步电机作为电机应用时提升变流器装置的可靠性。

在将输送物料从较高位置运输到较低地点的输送设备中，制动器的可用性十分重要，因为其通常也与设备的安全性相关。如果例如将大量的材料从山上运输到山谷中，那么制动器的故障能够导致的是，大量材料非受控地到达或者冲到山谷中，并且在那里导致对人员和机器的大的伤害。当电机的轴上的转动惯量超过5000kgm²时，特别地存在大的质量。因此，特别在该输送设备中强制要求用于安全运行的安全的制动。

证明了特别有利的是，变流器装置应用于位置固定的驱动装置。与例如在车辆、船只或轨道车辆中的牵引驱动系统相比，制动过程在位置固定的驱动系统中很少发生。作为位置固定的驱动系统的有例如风力发电设备或者加工工业中的驱动装置、例如用于压缩机的驱动装置以及用于输送设备、例如输送带的驱动装置。在此显示的是，当经受多个小时、天甚至星期或月的持续时间的截止电压并且不转换到导通状态中时，半导体开关经受高的负荷。因为对于这些上述应用来说制动过程是非常少的，所以使制动电阻与中间电路连接的半导体开关经受高负荷并且由故障进行标识。负荷随着增高的中间电路电压增加。然而，为了能够实现利用变流器装置的高的能量传输，尽可能高地选择中间电路电压。通过以机械开关替换半导体开关能够部分地甚至明显地减少变流器装置的故障概率，因为机械开关相对而言对高的要截止电压不敏感。因此，能够减少变流器装置的负载并且保障不同的运行模式的无干扰的运行。这特别有利的是，驱动系统或者驱动系统的至少一部分布置在海平面上超过2000m的高度上，因为在那里宇宙辐射导致了半导体的更大的故障。半导体不导通的阶段的高截止电压与在海平面上超过2000m的高度的宇宙辐射的组合导致了在制动调节器中具有半导体的变流器装置的高故障率。该故障率能够通过在制动调节器中应用替换半导体的机械开关来减小，从而明显提升变流器装置的可靠性。

在此描述的驱动系统范畴中的位置固定的装置被理解为不针对运动、特别是直线运动中的车辆的驱动系统。位置固定的驱动系统被理解为在长时间内在某一地点履行任务/功能的装置。在此，位置固定的驱动系统由于其尺寸和其重量而能够特别适用于，在可能使用另外的辅助装置、例如起重机或运输车辆的情况下可变地设置其位置，其中，其能运输到不同的使用地点。

该变流器装置特别合适布置在海平面上超过2000m的高度。在此显示的是，宇宙辐射在超过2000m的高度的情况下增加。由于宇宙辐射使得半导体开关承受很大的负荷，从而使其更快地或者更大概率地发生故障。该效应通过如下方式增强，即半导体开关必须持久地截止高电压而不换到导通状态中。特别当半导体在多个小时或天中不换到导通状态中、即保持在截止状态中时，当变流器装置在超过2000m的高度经受更高的宇宙辐射时，故障出现的特别频繁。然而该状态正好对于使制动电阻与中间电路连接的开关来说是典型的。因此，对于在海平面上超过2000m的高度中的使用来说证明特别合理的是，制动调节器的半导体开关由机械开关替换并且因此明显提高系统的可靠性。

在一个有利的设计方案中，机械开关设计为交流断路开关。交流断路开关相对于直流电开关来说具有能够不关断直流电流的特性。交流断路开关对于关断过程来说需要电流过零，其中能够实现特别简单和无损失的开关。由此，直流电开关明显比交流断路开关更贵、更大并且更重，因为其必须消除存在的电流、即归零。因此，在实现具有半导体开关的制动调节器时采用不仅能够接通、也能够关断电流的半导体。属于这些开关的组例如有IGBT、GTO、IGCT、MOSFET和三极管。放弃采用用于使制动电阻与中间电路连接的晶闸管，因为其尽管能够接通电流但是不能关断。电流在晶闸管中保持直到下个过零出现为止。

通过合适地选择电阻值的大小，在应用交流断路开关时也能够保障的是，产生的制动能量通过制动电阻在制动过程期间能够完全地或者至少近似完全地转化为热量，并且同时使中间电路中的电容器不太快地放电。利用中间电路中的电容器的快速放电也减少了电机端上的、能由负载侧的变流器产生的电压。因此，降低了电机中的通量以及机器的最大转矩。因此，电阻的值选择为小到能将制动能转化为热能，并且大到电容器在电机到达停止状态之前就已经放电。在该情况下能够放弃使用直流电开关，以便特别低成本并且紧凑地实现用于制动电阻的开关元件。

在另一个有利的设计方案中，机械开关多极地、特别是两极地设计。为了提高安全性显示有利的是，在运行变流器装置时能够使制动电阻与变流器装置和其存在的电势完全地电绝缘。因此，其对于维护工作来说在变流器装置运行期间也是可行的。此外，如果触点中的一个持久建立连接地损坏了，制动调节器也是可以运行的。该故障也被称为触点的粘合。

在另一个有利的设计方案中，变流器装置具有由另外的制动电阻和半导体开关组成的串联电路，该串联电路与中间电路并联。利用该结构能够如下地改善具有机械开关的变流器装置，即通过另外的制动电阻和与其连接的半导体开关能够在确定的范围中影响制动特性。因此，能够例如在出现的力矩方面或者在制动过程的持续时间方面影响制动过程。在此，必须既不为半导体开关也不为制动电阻设置最大制动能，而是能够更小地度量。对此不损害变流器装置的安全性，因为半导体开关的故障在可能使用保险装置的情况下也不在不允许的程度上改变变流器装置的制动能力。

在另一个有利的设计方案中，电机在其具有机械连接的负载的轴处具有至少5000kg·m²的转动惯量。相应大的质量借助于机械的制动器仅能困难地处理。这些机械的制动器具有大到妨碍设备动力的重量。通常，这样大的机械负载经由机械的制动器被制动，其仅具有小的寿命周期。利用其通常仅能够实现5或者10次制动，直到其达到其磨损边界并且必须更换为止。此外，该机械的制动器要求大的占地面积。此外，必须能够将产生的温度安全地引至周围环境，而不对其它的部件、例如传感器、调节或监视装置产生无法接受的热量。因此证明特别合适的是，相对高的制动能借助于制动电阻和机械开关排出。使用机械开关的另一个优点在于，其首先与半导体相比对于高功率来说几乎不具有电损失，并且在电流方面在只要不进行开关动作的短时间内能够过载，而不承受损害。

附图说明

接下来根据附图示出的实施例详细描述和阐述本实用新型。在此示出：

图1和图2分别示出具有机械开关的驱动系统的实施例，并且

图3示出输送设备。

具体实施方式

图1示出了具有变流器装置1的驱动系统10，该变流器装置与供电网12和电机13连接。电机13优选实施为异步电机，其经由轴14与负载15机械地连接。变流器1具有电网侧的变流器2和负载侧的变流器3，它们经由中间电路4在直流电压侧相互连接。二极管的符号在电网侧的变流器2上给出，该电网侧的变流器2是二极管桥，其不能反馈。此外，在中间电路4上与变流器2，3并联地布置有制动调节器16。制动调节器16具有制动电阻5和机械开关6，其能够使制动电阻5与中间电路4隔离或者与其电连接。

在该实施例中，机械开关6实施为二极的开关。其不是强制需要的，然而在接通通过制动电阻5的电流之外也能实现制动电阻5与中间电路4的电势的绝缘。

在负载15运行期间，经由变流器装置1从供电网12吸收能量。在此，能量流从供电网12运行到负载15。对于负载15反馈能量的情况，例如在负载15的制动过程期间，能量流动方向翻转。因为电网侧的变流器2作为二极管整流器是不能反馈的，所以能量流不能从中间电路4运行到供电网12中。为了使供给到中间电路4中的能量不导致中间电路4的电容器上的电压过高、特别是不允许的电压过高，制动调节器16与中间电路4连接。经由机械开关6能够使制动电阻5与中间电路4电连接，从而能够借助于制动电阻5将从电机13供给到中间电路4中的能量转换为热量。由此防止了中间电路4中的电压升高或者至少限制其在允许的值上。

在图2中，与由机械开关6和制动电阻5组成的组合并联地布置有串联电路，其具有另外的制动电阻51和半导体开关52。利用该布置能够实现的是，能量转化为热能，并因此通过半导体开关52上的开关动作来影响制动过程。在此，将制动能的大部分经由机械开关6输送给制动电阻5，因为其对于大电流来说更不敏感。另外的部分能够经由半导体开关52和另外的制动电阻51受控地或被调节地转化为热能。因此能够接受对中间电路电压的影响，以便优化制动过程。

图3示出了用于将输送物料21从山上运输到山谷中的输送设备20，其中，在运输期间输送物料21的势能减少。随着势能的减少，供给输送设备20的驱动系统1吸收该能量。该能量的吸收必须可靠和安全地进行，因为输送物料21的不受控的下降能够导致对人员和设备的损害。运输的负载越大，该损害越大。特别地，具有大于5000kgm²的转动惯量的负载可造成非常大的损害。为了尽可能低成本地构造设备，并且因为经常在遥远的地点、如山或山谷中不能够通过在此未示出的供电网12实现能量吸收，变流器装置主要利用二极管桥作为网络侧的变流器来实施。因此，能够应用在图1或2中示出的驱动系统10以用于供给输送设备20。在此，能够通过变流器装置1供给输送设备，其布置在山上、山谷中或者它们之间。示出的是输送设备的运行，其具有两个变流器装置1，它们分别布置在山上和山谷中。然而也能够实现的是，在输送设备20的任意位置上布置任意多的变流器装置1。特别有利的是，当该布置在海平面上2000m以上的高度时，图1和2中示出的具有变流器装置1的驱动系统10布置在山上。在该高度能够由此明显提高变流器装置1的可靠性，因为机械开关对于宇宙辐射是不敏感的。

尽管通过优选的实施例在细节上详细地阐述并描述了本实用新型，但本实用新型并不局限于所公开的实例，并且其他的变体方案能够由专业人员推导出，这并不脱离本实用新型的保护范围。

总之，本实用新型设计一种变流器装置，其具有电网侧的变流器、负载侧的变流器、中间电路和制动电阻，其中，电网侧的变流器和负载侧的变流器经由中间电路在直流电压侧相互连接，其中，电网侧的变流器设计为二极管整流器。为了简化用于制动驱动装置的变流器装置以及为了可靠和安全地执行制动过程而提出，制动电阻借助于机械开关与中间电路电连接。此外，本实用新型涉及具有这样的变流器装置的驱动系统，其中，电网侧的变流器与供电网连接，并且负载侧的变流器与电机连接，并且其中，电机设计为异步电机。