AT410184B

AT410184B - Antriebseinrichtung für walzgerüste

Info

Publication number: AT410184B
Application number: AT0912297A
Authority: AT
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2003-02-25
Also published as: DE19653182A1; DE19781466D2; ATA912297A; CN1103650C; CN1239909A; WO1998028095A1

Description

AT 410 184 B

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für Walzgerüste gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Industrienetze, die Großantriebe versorgen, z.B. Wechselspannungs-Energieversorgungsnetze für Walzwerke, werden stark mit induktiver Blindleistung belastet. Dies hat örtliche Spannungsabsenkungen und hohe Leitungsverluste zur Folge. Insbesondere sind hiervon schwache bzw. generatorferne Netze betroffen. Es ist bekannt, das Problem durch aufwendige Blindleistungskompensationsanlagen zu lösen, die aus geschalteten Kondensatorbänken und ggf. zusätzlichen geregelten Stabilisatoren wie Thyristorsteller und Drosseln bestehen.

Aus der JP 06 198318 A ist eine Antriebseinrichtung für Walzgerüste bekannt, bei der den einzelnen Motoren GTO's als Umrichter zugeordnet sind. Weiterhin werden in der JP 08 044447 A für Wechselspannungsnetze Kompensationsmittel zur Verringerung des Einflusses der höheren Harmonischen im Netz angegeben. Schließlich wird in der DE 37 25 515 A1 ein Löschverfahren für steuerbare Stromrichter beschrieben, bei dem zur Anwendung in Antriebssystemen ein Gleich-strom-Zwischenkreis über einen konventionellen Stromrichter mit steuerbaren Ventilen gespeist wird und zur Kompensation der Blindleistung ein selbstgeführter Stromrichter mit eingeprägter Gleichspannung als Blindleistungsstromrichter wechselseitig parallelgeschaltet wird.

Insbesondere letzteres Verfahren ist mit den zugehörigen Mitteln aufwendig. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antriebseinrichtung anzugeben, mittels derer eine einfache und kostengünstigere Blindleistungskompensation als beim Stand der Technik erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der Erfindung weist die Antriebseinrichtung bei einen als Drehstrommotor ausgebildeten Elektromotor zumindest einen Umrichter, über den der Drehstrommotor mit einem Wechselspan-nungs-Energieversorgungsnetz verbunden ist, auf, wobei der Umrichter die Wirkleistungsaufnahme des Drehstrommotors aus dem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz regelt und eine einstellbare, kompensierende Blindleistung, insbesondere kapazitive Blindleistung, in das Wechsel-spannungs-Energieversorgungsnetz einspeisend ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es möglich, auf aufwendige Kompensationsanlagen für die Antriebseinrichtung zu verzichten.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinrichtung derart ausgebildet, daß sie die induktive und/oder kapazitive Blindleistung zumindest einer blindleistungserzeugenden Einrichtung, die mit dem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz verbunden ist, kompensiert. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, da auf diese Weise aufwendige Blindleistung-Kompensationseinrichtungen für weitere blindleistungserzeugende Einrichtungen, insbesondere Antriebe, die mit dem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz verbunden sind, verzichtet werden kann. Auf diese Weise können besonders kostengünstige Antriebseinrichtungen für Industrieanlagen, insbesondere für Walzstraßen konzipiert werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinrichtung derart ausgebildet, daß sie die Blindleistung gemäß der Grundschwingung der Wechselspannung des Wechsel-spannungs-Energieversorgungsnetzes kompensiert.

In weiterer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinrichtung derart ausgebildet, daß Stern-Blindleistung gemäß einer oder mehrerer harmonischer der Wechselspannung des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes kompensiert wird, so daß auch auf Filterbänke zur Kompensation von Oberschwingungen verzichtet werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebseinrichtung eine Zwischenkreisspannungs-Berechnungseinheit auf, die die Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit der Spannung des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes berechnet.

Besonders vorteilhaft kommt die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung für Antriebe in einem Leistungsbereich von 1 bis 20 MW, vorteilhafterweise von 2 bis 10 MW, bzw. in bezug auf Stoßlast für einen Leistungsbereich von 2 bis 30 MW, vorteilhafterweise von 4 bis 20 MW, zum Einsatz.

Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung hat sich weiterhin als besonders vorteilhaft in Verbindung mit Drehstrommotoren in Tandemschaltung erwiesen, d.h. bei Schaltungen, bei der der Drehstrommotor offene Wicklungen aufweist, die beidseitig von Umrichtern gespeist werden.

Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung kommt ferner besonders vorteilhaft zum Antrieb von Walzgerüsten einer Walzstraße zur Anwendung.

Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung zur Spannungsstützung 2

AT 410 184 B des Energieversorgungsnetzes durch Blindleistungseinspeisung eingesetzt.

Der Umrichter der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung kann im übrigen als luftgekühlter Umrichter ausgeführt sein.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Im einzelnen zeigen: FIG 1 eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung, FIG 2 eine Regeleinrichtung für eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung, FIG 3 eine Umrichteranordnung zur Speisung eines Drehstrommotors mit Teilwechselrichter in Dreipunktschaltung auf der Netz- und Maschinenseite, FIG 4 eine Umrichteranordnung zur beidseitigen Speisung eines Drehstrommotors mit offener Wicklung mitTeiiwechselrichter in Dreipunktschaltung, FIG 5 den Einsatz eines erfindungsgemäßen Umrichters in einem Walzwerk. FIG 1 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung mit einem Drehstrommotor 6, der über einen Umrichter und über einen Transformator 2 bzw. eine Drossel mit einem Energieversorgungsnetz 1 verbunden ist. Der Umrichter weist einen selbstgeführten Gleichrichter 3, einen Gleichspan-nungszwischenkreis 4 und einen selbstgeführten Wechselrichter 5 auf. Die Leistungsaufnahme des Drehstrommotors 6 aus dem Energieversorgungsnetz 1 wird mittels einer Regeleinrichtung 7 geregelt. Dazu wird der Regeleinrichtung eine Spannungszwischenkreissollspannung U*z« vorgegeben, die der Wechselrichter 5 benötigt, um Drehmoment, Drehzahl und/oder Leistung des Drehstrommotors 6 einzustellen. Die Regeleinrichtung 7 regelt den selbstgeführten Gleichrichter dahingehend, daß sich an dessen Ausgang eine Zwischenkreisspannung UZK ergibt, die der gewünschten Zwischenkreissollspannung U*ZK entspricht. Weiterhin wird der Regeleinrichtung 7 ein Blindleistungssollwert Q* zugeführt. Die Regeleinrichtung 7 regelt den selbstgeführten Gleichrichter 3 derart, daß er an das Energieversorgungsnetz 1 eine Blindleistung abgibt, die der gewünschten Sollblindleistung Q* entspricht. In der beispielhaften Ausgestaltung gemäß FIG 1 weist die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung eine Einrichtung 9 zur Vorgabe des Blindleistungssollwertes Q* auf. Diese gibt vorteilhafterweise einen Blindleistungssollwert Q* vor, der zu einer Blindleistungsabgabe der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung führt, die die Blindleistungsabgabe von blindleistungserzeugenden Einrichtungen 8 an das Energieversorgungsnetz 1 kompensiert. Dabei kann die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung sowohl Blindleistung gemäß der Grundschwingung der Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes 1 als auch deren höherfrequente harmonische Anteile kompensieren. FIG 2 zeigt eine beispielhafte detaillierte Ausgestaltung der Regeleinrichtung 7 aus FIG 1. Die Regeleinrichtung 7 weist in der beispielhaften Ausgestaltung einen Zwischenkreisspannungsregler 10, einen Wirkstromregler 11, eine Blindstromvorgabe 12, einen Blindstromregler 13, eine Steuereinrichtung 14 sowie eine Meßwertaufbereitung 15 auf. Der Zwischenkreisspannungsregler 10 ermittelt aus der Zwischenkreissollspannung U*ZK sowie der Zwischenkreisspannung UZK einen Sollwert l*w für den Wirkstrom. Die Blindstromvorgabe 12 ermittelt aus dem Blindleistungssollwert Q* einen Blindstromsollwert l*B. Der Wirkstromregler 11 erzeugt aus dem Wirkstromsollwert l*w und dem Wirkstromistwert lw Sollwerte für die Spannung zwischen dem Transformator 2 und dem selbstgeführten Gleichrichter 3. Der Blindstromregler 13 erzeugt aus dem Blindstromsollwert l*B und dem Blindstromistwert lB ebenfalls Sollwerte für die Spannung zwischen dem Transformator 2 und dem selbstgeführten Gleichrichter 3. Die Ausgänge des Wirkstromreglers 11 und des Blindstromreglers 13 werden einer Steuereinrichtung 14 zugeführt, die Steuersignale für die Leistungshalbleiter des selbstgeführten Gleichrichters 3 derart erzeugt, daß die gewünschten Spannungen an der Wechselstromseite des selbstgeführten Gleichrichters 3 entstehen.

In vorteilhafter Ausgestaltung werden die Ausgänge des Wirkstromreglers 11 und des Blindstromreglers 13 durch die Steuereinrichtung 14 addiert. Der Wirkstromistwert lw, der Blindstromistwert lB sowie die Zwischenkreisspannung UZK werden gemessen oder vorteilhafterweise mittels einer Meßwertaufbereitung 15 bestimmt. Diese ermittelt den Wirkstrom lw und den Blindstrom lB aus Meßwerten des Stromes zwischen dem Transformator 2 und dem selbstgeführten Gleichrichter 3 mittels der Orientierung der Phasenlage von Strom und Spannung des Energieversorgungsnetzes 1.

Die Einrichtung 9 zur Vorgabe des Blindleistungssollwertes Q* ermittelt diesem z.B. durch 3

AT 410 184 B

Messung von Strom und Spannung des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 1. In alternativer Ausgestaltung wird in der Einrichtung 9 zur Vorgabe des Blindleistungssollwertes Q* der Blindleistungsbedarf oder eine äquivalente Größe aus Kenntnis der mit dem Energieversorgungsnetz verbundenen Einrichtungen ermittelt. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die Einrichtung 9 zur Vorgabe des Blindleistungssollwertes Q* mit einem übergeordneten Leitsystem verbunden, oder Teil eines derartigen Leitsystems, und ermittelt aus Kenntnis der an das Wechselspan-nungs-Energieversorgungsnetz 1 angeschlossene Einrichtungen und ihren Betriebszuständen den Blindleistungsbedarf. So können z.B. auch mehrere erfindungsgemäße Antriebseinrichtungen eine einzige Einrichtung 9 zur Vorgabe ihrer Blindleistungssollwerte Q* aufweisen. FIG 3 zeigt eine Umrichteranordnung zur Speisung einer Drehstrommaschine, wobei der netzseitige Teilumrichter 33 und der motorseitige Teilumrichter 34 mit GTO's in Dreipunktschaltung, jeweils gleich, ausgeführt sind. Es ist jeweils der Hauptstromkreis eines Phasenbausteins mit seinem Beschaltungsnetzwerk 40 bzw. 41 dargestellt. Die Teilumrichter 33 und 34 weisen jeweils drei solcher Phasenbausteine auf. Der P-seitige Zwischenkreiskondensator 37 bildet gemeinsam mit dem N-seitigen Zwischenkreiskondensator 39 den Gleichspannungszwischenkreis, über den die beiden Teilumrichter verbunden sind. Der P-seitige Beschaltungsrückladewiderstand 36 und der N-seitige Beschaltungsrückladewiderstand 38 sind mit der jeweiligen Seite der Beschaltungsnetzwerke 40 bzw. 41 verbunden.

Der netzseitige Teilumrichter 33 ist ausgangsseitig über den Transformator 31 und dem Leistungsschalter 32 mit dem Netz 30 verbunden. Der maschinenseitige Teilumrichter 34 ist ausgangsseitig mit dem Drehstrommotor 35 verbunden.

Bei der Anordnung in FIG 4 ist ein erster Umrichter 74 und ein zweiter Umrichter 75 ausgangsseitig jeweils mit einer Seite 71 und 72 der offenen dreiphasigen Wicklung des Drehstrommotors 73 verbunden. Durch diese Anordnung wird neben einer Leistungsverdoppelung ein besonders vorteilhaftes Betriebsverhalten erreicht, da, entsprechend abgestimmtes Pulsverfahren vorausgesetzt, selbst bei niedriger Schaltfrequenz der GTO-Thyristoren ein weitgehend sinusförmiger Stromverlauf im Motor mit geringem Oberschwingungsgehalt erreicht wird.

Netzseitig ist der erste Umrichter 74 über eine optionale netzseitige Zusatzinduktivität 63 und einen ersten Transformator 61 z.B. in Stern/Dreieckschaltung mit dem Energieversorgungsnetz 60 verbunden. Der zweite Umrichter 75 ist über eine optionale netzseitige Zusatzinduktivität 64 und einen zweiten Transformator 62 vorteilhafterweise um elektrisch 30° gegenüber dem ersten Transformator 61 versetzt (z.B. in Stern/Sternschaltung) mit dem Energieversorgungsnetz 60 verbunden. Durch diese Anordnung kommt es am Netz zu besonders günstigen Netzrückwirkungen, insbesondere wenn, wie im vorliegenden Beispiel, die Umrichter aus Teilumrichtern in Dreipunktschaltung bestehen. Es kommt dabei selbst bei Grundschwingungstaktung der selbstgeführten Netzstromrichter zu sinusförmigem Stromverlauf mit sehr geringem Oberschwingungsgehalt.

Die beiden Umrichter 74 und 75 weisen jeweils netzseitige Teilumrichter 66 bzw. 65 und maschinenseitige Teilumrichter 69 bzw. 70 auf, die jeweils über einen Gleichspannungszwischenkreis 67 bzw. 68 verbunden sind. Die beiden Gleichspannungszwischenkreise 67 bzw. 68 sind voneinander elektrisch getrennt. Alle Teilumrichter 66, 65, 69, 70 sind in Dreipunktschaltung, vorzugsweise mit RC-GTO's, ausgeführt. FIG 5 zeigt den Einsatz einer erfindungsgemäßen Arbeitseinrichtung in einem Walzwerk. Das Walzgut 103 wird in den Walzgerüsten 104, 105, 106, 107, die von elektrischen Motoren 99, 100, 101, 102 angetrieben werden, gewalzt. Die Motoren 99,100,101,102 werden über je einen Transformator 91, 92, 93, 94 und je einen Umrichter 95, 96, 97, 98 durch ein Energieversorgungsnetz 90 gespeist. In einem möglichen Ausführungsbeispiel sind der Transformator 91, der Umrichter 95 und der Drehstrommotor 99 Teil einer erfiridungsgemäßen Antriebseinrichtung, die die von den Antriebseinrichtungen der anderen Walzgerüste 105, 106, 107 erzeugte Blindleistung kompensiert. Der Anteil von erfindungsgemäßen Antriebseinrichtungen zur Blindleistungskompensation und bekannten Antriebseinrichtungen richtet sich im wesentlichen nach dem Bedarf an kapazitiver Blindleistung, um die induktive Blindleistung herkömmlicher Antriebseinrichtungen zu kompensieren.

Von größerer Bedeutung für die Praxis ist jedoch eine Ausführung, bei der alle Antriebe einer Walzstraße erfindungsgemäß ausgeführt sind und die Blindleistung der Antriebe anderer Walzstraßen kompensieren. 4

Claims

AT 410 184 B PATENTANSPRÜCHE: 1. Antriebseinrichtung für Walzgerüste, mit zumindest einem Elektromotor und zumindest einem Leistungshalbleiter aufweisenden Umrichter, über den der Elektromotor mit einem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz, welches durch Blindleistung belastet ist, verbunden ist, wobei der Umrichter die Wirkleistungsaufnahme bzw. Drehzahl und/oder Drehmoment des Elektromotors regelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine Regeleinrichtung (7) aufweist, mittels der die Leistungshalbleiter derart geregelt oder gesteuert werden, daß der Umrichter eine einstellbare, kompensierende Blindleistung in das Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz einspeist.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Blindleistung zumindest eine blindleistungserzeugende Einrichtung (8), die mit dem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz verbunden ist, vorhanden ist.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der blindleistungserzeugenden Einrichtung (8) die Kompensation der Blindleistung gemäß der Grundschwingung der Wechselspannung des Wechselspannungs-Energieversorgungs-netzes erfolgt.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der blindleistungserzeugenden Einrichtung (8) die Kompensation der Blindleistung gemäß einer oder mehrerer Harmonischer der Wechselspannung des Wechselspannungs-Energie-versorgungsnetzes erfolgt.
5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (9) zur Vorgabe eines Blindleistungs-Sollwertes, entsprechend der gewünschten Blindleistungseinspeisung in das Wechselspannungs-Energieversor-gungsnetz vorhanden ist.
6. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter als Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis in Dreipunktschaltung ausgebildet ist.
7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter als Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis in n-Punkt-Schaltung ausgebildet ist, wobei n größer gleich 2 ist.
8. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die abschaltbaren Leistungshalbleiter als GTO's (sog. Gate Turn Off Thyristors) ausgebildet sind.
9. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, die als Leistungstransistoren, insbesondere als IGBT's (sog. Insulated Gate Bipolar Transistors) ausgebildet sind.
10. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die abschaltbaren Leistungshalbleiter rückwärts leitend ausgebildet sind. HIEZU 5 BLATT ZEICHNUNGEN 5