具有集成保护和控制部件的模块化板级电动机控制系统技术方案

本发明专利技术题为“具有集成保护和控制部件的模块化板级电动机控制系统”。本发明专利技术提供了一种用于选择性地控制从电源到负载的功率的电动机控制系统，其包括PCB结构和功率转换器，功率转换器附连到PCB结构，PCB结构可操作以向负载提供受控输出功率。电动机控制系统也包括安装到至少一个PCB结构以便与其电耦接的独立保护和控制模块，独立保护和控制模块还包括：包括多个开关设备的前端开关单元，多个开关设备可操作以选择性地中断和控制从电源到功率转换器以及到绕过功率转换器的旁路路径的功率流；以及定位于前端开关单元的下游并且包括多个开关设备的后端开关单元，多个开关设备可操作以选择性地中断从功率转换器和旁路路径到负载的功率流。

Modular board motor control system with integrated protection and control components

【技术实现步骤摘要】
具有集成保护和控制部件的模块化板级电动机控制系统
技术介绍
本专利技术的实施方案整体涉及电动机控制系统，并且更具体地，涉及具有集成保护和控制部件的板级电动机控制系统。工业中常使用的执行功率转换的一种类型的系统是可调速驱动器(也称为变频驱动器(VFD))。VFD是一种工业控制设备，其为驱动系统诸如AC感应电动机提供可变频率、可变电压操作。在使用中，VFD通常被设置为电动机控制系统以及整体控制和保护组件的一部分，其包括VFD以及输入/输出熔断器、断开器、断路器或其他保护设备、控制器、滤波器、传感器和旁路组件的布置，该旁路组件包括提供用于控制驱动系统的另选控制路径或机构的旁路接触器和软启动器中的一者或多者。作为已知电动机控制系统中的一般规则，VFD以及相关联保护和控制设备被设置为具有其自身的壳体的分立部件。分立的封装部件定位于大型金属外壳中并且固定到外壳内的支撑件(例如DIN导轨)上，其中在部件之间提供布线以在它们之间提供电连接和/或通信。当部件的整体集合作为单元组装时，封装这些部件所需的外壳变得非常大且笨重。而且，部件之间所需的大量布线会阻碍对部件的可及性，增加安装时间以及由于布线和布线连接而导致的故障的可能性，并且减小电动机控制系统的整体效率。因此，期望提供一种电动机控制系统，其具有最小的占地面积、减小的部件计数、增加的效率、以及改善的操作灵活性。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，一种用于选择性地控制从电源到负载的功率的电动机控制系统包括：至少一个印刷电路板(PCB)结构；以及功率转换器，该功率转换器附连到至少一个PCB结构以便与其电耦接，该功率转换器可操作以向负载提供受控输出功率。电动机控制系统也包括安装到至少一个PCB结构以便与其电耦接的独立保护和控制模块，该独立保护和控制模块还包括：前端开关单元，该前端开关单元包括多个开关设备，这些多个开关设备可操作以选择性地中断和控制从电源到功率转换器以及到绕过功率转换器的旁路路径的功率流；以及后端开关单元，该后端开关单元定位于前端开关单元的下游并且包括多个开关设备，这些多个开关设备可操作以选择性地中断从功率转换器和旁路路径到负载的功率流。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种独立板级保护和控制设备，其可与功率转换器一起操作以提供选择性控制从电源到负载的功率的电动机控制系统。板级保护和控制设备包括：旁路路径、定位于旁路路径的第一端处并且从电源接收功率的前端开关单元，以及定位于旁路路径的第二端处的前端开关单元的下游的后端开关单元。前端开关单元包括多个开关设备，这些多个开关设备可操作以选择性地控制从电源到功率转换器以及到旁路路径的功率流。后端开关单元包括多个开关设备，这些多个开关设备可操作以选择性地控制从功率转换器和旁路路径到负载的功率流。前端开关单元、后端开关单元和旁路路径在与功率转换器一起操作时向功率转换器提供旁路功能和短路保护。根据以下具体实施方式和附图，本专利技术的各种其他特征和优点将变得显而易见。附图说明附图示出了目前预期用于执行本专利技术的优选的实施方案。在附图中：图1是根据本专利技术的实施方案的板级电动机控制系统的框图。图2是根据本专利技术的实施方案的图1的板级电动机控制系统的前视图。图3是根据本专利技术的实施方案的包括在图1和图2的电动机控制系统中的独立保护和控制模块的透视图。图4是根据本专利技术的实施方案的图3的独立保护和控制模块的示意图。图5是根据本专利技术的另一个实施方案的图3的独立保护和控制模块的示意图。图6是根据本专利技术的实施方案的封闭图1和图2的电动机控制系统的紧凑壳体的透视图。具体实施方式本专利技术的实施方案涉及模块化板级电动机控制系统及其独立板级保护和控制模块，该独立板级保护和控制模块包括可在电动机控制系统中提供隔离和旁路功能的半导体开关和继电器/触点的布置。独立板级保护和控制模块被设置为即插即用模块，该即插即用模块可以在板级与功率转换器(例如，VFD单元)耦接以在单个外壳封装内为电动机控制系统提供旁路功能和短路保护。独立板级保护和控制模块合并以下所有功能：通常在电动机控制系统中设置为独立部件的多个保护和控制设备-诸如单独的输入/输出接触器、断路器或其他保护设备、以及包括提供用于控制驱动系统的另选控制路径或机构的旁路接触器和软启动器中的一个或多个的旁路组件、连同相关联的电源、电流感测和控制设备。尽管下文将本专利技术的实施方案描述和示出为针对电动机控制系统，但是应当认识到，本专利技术的实施方案并不意味着限于此类电路。也就是说，本专利技术的实施方案可以更广泛地扩展到具有不同构造和实施方式的功率/能量转换电路，包括例如用于驱动非电动机负载的电动机启动器、电动机控制中心和功率/能量转换电路。因此，以下对板级电动机控制系统的讨论并不意味着限制本专利技术的范围。参考图1，示出了功率系统10的框图。功率系统10包括电源12诸如来自公用设施例如耦接至过电流和浪涌保护设备14。根据各种实施方案，过电流和浪涌保护设备14可以包括以下中的一者或多者：断开接触器或开关，该断开接触器或开关可以在允许来自公用设施12的功率流过其中的闭合/接通位置和功率无法流过其中的打开/关断位置中操作；和/或输入保险丝，如果电流电平变得太高，则该输入保险丝通过中断来自公用设施12的电流来提供过电流保护。输入和EMI滤波器16中的一者或多者也可以包括在功率系统10中，它的功能是提供对电源12所提供的输入功率的滤波谐波缓解。如图1所示，功率系统10还包括驱动并帮助保护电动机或其他负载20的电动机控制系统18。电动机控制系统18包括功率转换器22以及与功率转换器22分离的独立保护和控制模块24。根据本专利技术的实施方案，并且如图2中最佳所示，电动机控制系统18被设置为板级电路，其中功率转换器22以及保护和控制模块24被安装至印刷电路板(PCB)26。PCB26可以被设置为单板或模块化板(即，两个或更多个不同的PCB)并且可以具有标准或定制的构造。PCB26可以包括绝缘衬底28，其中在该绝缘衬底上形成多个迹线或引线(未示出)，这些迹线或引线在衬底上提供连接到PCB26的部件/模块之间的电连接路径。将功率转换器22以及保护和控制模块24直接安装到PCB26会导致板级电动机控制系统18具有更少的端子连接和电缆，使得电动机控制系统18中的电压损失减小并且改善了系统效率。根据电动机控制系统18的一个实施方案，功率转换器22是提供驱动和调整电动机20的操作速度的VFD单元的形式(以下称为“VFD单元22”)。VFD单元22可以具有已知的构造并且操作以将交流输入功率整流为直流功率，并且随后将直流功率逆变为提供给电动机20的期望的三相三线交流功率。VFD单元22可以经由与PCB26的焊料连接或经由与其的即插即用型连接而附连到或可移除地安装在PCB26上。根据本专利技术的实施方案，并且如图1所示以及现在也如图3所示，保护和控制模块24通常由前端开关单元30、后端开关单元32、系统电源34、系统控制器36、感测设备/电路38以及模块输入/输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于选择性地控制从电源到负载的功率的电动机控制系统，所述电动机控制系统包括：/n至少一个印刷电路板(PCB)结构；/n功率转换器，所述功率转换器附连到所述至少一个PCB结构以便与其电耦接，所述功率转换器可操作以向所述负载提供受控输出功率；和/n独立保护和控制模块，所述独立保护和控制模块安装到所述至少一个PCB结构上以便与其电耦接，所述独立保护和控制模块包括：/n前端开关单元，所述前端开关单元包括多个开关设备，所述多个开关设备可操作以选择性地中断和控制从所述电源到所述功率转换器以及到绕过所述功率转换器的旁路路径的功率流；和/n后端开关单元，所述后端开关单元定位于所述前端开关单元的下游并且包括多个开关设备，所述多个开关设备可操作以选择性地中断从所述功率转换器和所述旁路路径到所述负载的功率流。/n

【技术特征摘要】
20181115 US 62/7675771.一种用于选择性地控制从电源到负载的功率的电动机控制系统，所述电动机控制系统包括：
至少一个印刷电路板(PCB)结构；
功率转换器，所述功率转换器附连到所述至少一个PCB结构以便与其电耦接，所述功率转换器可操作以向所述负载提供受控输出功率；和
独立保护和控制模块，所述独立保护和控制模块安装到所述至少一个PCB结构上以便与其电耦接，所述独立保护和控制模块包括：
前端开关单元，所述前端开关单元包括多个开关设备，所述多个开关设备可操作以选择性地中断和控制从所述电源到所述功率转换器以及到绕过所述功率转换器的旁路路径的功率流；和
后端开关单元，所述后端开关单元定位于所述前端开关单元的下游并且包括多个开关设备，所述多个开关设备可操作以选择性地中断从所述功率转换器和所述旁路路径到所述负载的功率流。


2.根据权利要求1所述的电动机控制系统，其中所述保护和控制模块包括夹到所述至少一个PCB结构上或插入到其中的即插即用设备。


3.根据权利要求1所述的电动机控制系统，其中所述独立保护和控制模块可以功率转换模式和旁路模式操作；
其中当以所述功率转换模式操作时，所述前端开关单元中的所述多个开关设备被控制为允许从所述电源到所述功率转换器的功率流并且阻止到所述旁路路径的功率流，并且所述后端开关单元中的所述多个开关设备被控制为将从所述功率转换器输出的功率流引导到所述负载并且阻止从所述旁路路径到所述负载的功率流；并且
其中当以所述旁路模式操作时，所述前端开关单元中的所述多个开关设备被控制为阻止从所述电源到所述功率转换器的功率流并且允许到所述旁路路径的功率流，并且所述后端开关单元中的所述多个开关设备被控制为将所述负载与所述功率转换器隔离并且允许从所述旁路路径到所述负载的功率流。


4.根据权利要求1所述的电动机控制系统，其中所述独立保护和控制模块还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述前端开关单元和所述后端开关单元中的每一者中的所述多个开关设备的操作以在接通状态与关断状态之间切换所述多个开关设备，以便选择性地将功率路由到所述功率转换器和所述旁路路径。


5.根据权利要求4所述的电动机控制系统，其中所述独立保护和控制模块还包括可操作地耦接到所述控制器的模块输入/输出(I/O)和通信接口，所述模块I/O和通信接口被配置为接收关于所述电动机控制系统的操作参数的输入并且将所述输入提供给所述控制器。


6.根据权利要求1所述的电动机控制系统，其中所述独立保护和控制模块还包括系统电源，所述系统电源从所述电源接收功率并且为所述前端开关单元、所述后端开关单元和所述功率转换器的操作提供功率。


7.根据权利要求1所述的电动机控制系统，其中所述前端开关单元包括：
固态开关设备，所述固态开关设备包括多个固态开关，所述多个固态开关可选择性地切换以控制和调节通过其中的功率流；和
机电开关设备，所述机电开关设备定位于所述固态开关设备的下游并且包括多个隔离继电器以控制到所述功率转换器和所述旁路路径的功率流。


8.根据权利要求7所述的电动机控制系统，其中所述多个隔离继电器在每个相上包括单刀双掷(SPDT)继电器，每个SPDT继电器具有：
关断/打开位置，所述关断/打开位置阻止通过所述SPDT继电器的电流；
第一接通/闭合位置，所述第一接通/闭合位置传导电流通过所述SPDT继电器并且将所述电流引导到所述功率转换器；和
第二接通/闭合位置，所述第二接通/闭合位置传导电流通过所述SPDT继电器并且将所述电流引导到所述旁路路径。


9.根据权利要求7所述的电动机控制系统，其中所述多个隔离继电器在每个相上包括一对隔离继电器，所述一对隔离继电器包括：
第一隔离继电器，所述第一隔离继电器被选择性地在阻止电流通过其中的关断/打开位置与传导电流通过其中并且将所述电流引导到所述功率转换器的接通/闭合位置之间进行控制；和
第二隔离继电器，所述第二隔离继电器被选择性地在阻止电流通过其中的关断/打开位置与传导电流通过其中并且将所述电流引导到所述旁路路径的接通/闭合位置之间进行控制。


10.根据权利要求7所述的电动机控制系统，其中所述多个固态开关可选择性地在接通/闭合状态下操作以传导电流通过其中，在关断/打开状态下操作以阻止电流通过其中，或者选择性地切换接通/关断以控制通过其中的电压和电流的传输并且由此限制到所述负载的瞬态电压和电流，以便...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·M·伍德利，J·P·厄普豪斯，T·熊，A·D·德利马特，
申请(专利权)人：伊顿智能动力有限公司，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE