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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum verlustarmen Betrieb von schnelllaufenden Drehfeldmaschinen, insbesondere schnelllaufende Synchron- oder Asynchronmaschinen, mit mechanischen Drehfrequenzen von mindestens einigen Hundert Hertz. Durch die Erfindung werden die im Motor entstehenden Verluste minimiert. Insbesondere im Rotor, dessen Erwärmung für viele Prozesse kritisch ist, entstehen durch Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung minimale Verluste. Die Erfindung bezieht sich weiter auf Verwendungen, bei denen diese Vorrichtung im besonderen Maße von Vorteil ist.
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Typischerweise werden schnelllaufende, im Niederspannungsbereich arbeitende Drehfeldmaschinen mit Zweipunkt-Wechselrichtern, die mit Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreis gespeist werden können, betrieben. Dabei wird der Wechselrichter im Blockbetrieb oder mit einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation betrieben. Beide Varianten sind für schnelllaufende Antriebe nicht optimal. Bei Blockbetrieb enthalten die Strangströme Oberschwingungsanteile, die im Motor zu Kupferverlusten und insbesondere zu Eisenverlusten führen. Bei einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation, die eine im Vergleich zur Speisefrequenz fMot deutlich höhere Schaltfrequenz erfordert, ist im Hinblick auf die kleinen Streu- bzw. Ständerinduktivitäten und die entsprechend große Stromwelligkeit eine Filterung der Ausgangsspannung des Zweipunkt-Wechselrichters erforderlich [2]. Aufgrund der Schaltverluste ist die Schaltfrequenz fSchalt beim Zweipunkt-Wechselrichter begrenzt, so dass die Grenzfrequenz fG des Filters (2) für vergleichsweise kleine Schaltfrequenzen auszulegen ist. Die Grenzfrequenz liegt zwischen der Speisefrequenz der Drehfeldmaschine und der Schaltfrequenz des Wechselrichters. Auf der anderen Seite ist die Baugröße, das Volumen und das Gewicht des Filters (2) stark von der Grenzfrequenz abhängig. Beim Zweipunktwechselrichter sind die Filterelemente deshalb groß, schwer und teuer.
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Als weiterer Nachteil einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation beim Zweipunkt-Wechselrichter ist die Begrenzung der Speisefrequenz. Für eine realistische Schaltfrequenz von maximal 20 kHz ist maximal eine Speisefrequenz von ca. 2 kHz möglich, sofern Speise- und Schaltfrequenz nicht synchronisiert werden. In vielen Fällen verbietet sich deshalb der Einsatz von Drehfeldmaschinen mit Polpaarzahlen größer als eins, der im Hinblick auf eine optimale Bauleistung der Drehfeldmaschine wünschenswert ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebssystemlösung zu schaffen, bei der diese bekannten Nachteile vermieden werden. Aus dem Hochleistungsbereich für den Mittelspannungsbereich ist der Dreipunkt-Wechselrichter bekannt [1]. Seine Vorzüge liegen darin, dass die Halbleiter nur mit einer Sperrspannung in Höhe der halben Zwischenkreisspannung beaufschlagt werden. Daraus lasst sich für den Mittelspannungsbereich der Vorteil ableiten, dass statt GTOs nun IGBTs eingesetzt werden können. Durch die deutlich besseren Eigenschaften der IGBTs ist der vergrößerte schaltungstechnische Aufwand gerechtfertigt. Für den Niederspannungsbereich wurde bisher der Dreipunkt-Wechselrichter nicht eingesetzt. Mit seinen Eigenschaften bietet er aber für den Einsatz mit schnelllaufenden Drehfeldmaschinen entscheidende Vorteile:
- • Es können aufgrund der geringen Sperrspannungsbeanspruchung sehr schnell schaltende Halbleiter eingesetzt werden (MOSFETS, o. ä.).
- • Aufgrund der schnell schaltenden Halbleiter kann die Schaltfrequenz deutlich erhöht werden.
- • Der Dreipunkt-Wechselrichter lasst verfeinerte Spannungsstellmöglichkeiten zu, da jeder Strang zusätzlich mit dem Mittelpotenzial des Zwischenkreises verbunden werden kann.
- • Aufgrund der hohen Schaltfrequenz und der verfeinerten Stellmöglichkeiten kann die Welligkeit der Strangströme und somit auch die Verluste in der Drehfeldmaschine drastisch reduziert werden. Gegebenenfalls kann auf den Einsatz eines Filters verzichtet werden.
- • Falls ein Filter zur Abkopplung des Dreipunkt-Wechselrichters von der Drehfeldmaschine weiterhin erforderlich ist, kann das Filter aufgrund der hohen Schaltfrequenz und der verfeinerten Stellmöglichkeiten kleiner, leichter und kostengünstiger realisiert werden.
- • Aufgrund der hohen Schaltfrequenz kann die maximal zulässige Speisefrequenz erhöht und eine Drehfeldmaschine mit einer Polpaarzahlen größer als eins eingesetzt werden.
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Inzwischen hat der Dreipunkt-Wechselrichter auch im Niederspannungsbereich Einzug gehalten. In
US 55 17 401 wird der Dreipunktwechselrichter mit IGBT's oder FET's für ein batteriebetriebenes Fahrzeug verwendet. Auch in
DE 196 36 784 A1 wird der Dreipunkt-Wechselrichter im Niederspannungsbereich mit IGBT's eingesetzt und die Eignung für hohe Drehzahlen erwähnt. Trotz der erreichbaren hohen Schaltfrequenzen kann aber auch beim Dreipunkt-Wechselrichter bei Hochgeschwindigkeitsantrieben in der Regel nicht auf ein entsprechendes Ausgangsfilter (
7) verzichtet werden. Derartige Filtermittel werden beispielsweise in [2] oder in ”Tadros; Junge, Salama: Design Aspects of High Power PWM-Inverters with IGBT, EPE-Konferenz, 1991, Bd. 2. S. 83–88” beschrieben.
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Es bietet sich an, dass das zur Stromglättung erforderliche Filter mit einer LC-Kombination aus Induktivitäten (11) und Kondensatoren (9) realisiert wird (vgl. 6). In Hinblick auf eine hohe Unterdrückung der Stromwelligkeit und auf einen kompakten Aufbau kann das Filter mehrstufig aufgebaut sein. Mit den Widerständen (10) kann das Filter gedämpft werden, um ein starkes Überschwingen oder Resonanzerscheinungen zu vermeiden. Der Kondensator (8) ist zur Glättung der Strangströme nicht erforderlich. Unter EMV-Gesichtspunkten kann er helfen, die durch unsymmetrische Störungen hervorgerufenen Störabstrahlungen zu verringern.
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Ebenfalls zur Unterdrückung asymmetrischer Störungen kann eine stromkompensierte Drossel (14) eingesetzt werden. Eine stromkompensierte Drossel besteht aus einem ferromagnetischen Kern, der von Spulen mit gleichem Wicklungssinn umfasst ist. Nullkomponenten in den Strangströmen, die als Wechselanteil wirken, können so unterdrückt werden.
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Die Dämpfung des Filters (7) mit den Widerständen (10) führt zu Stromwärmeverlusten. Der Wirkungsgrad der Anordnung kann verbessert werden, indem dem Filterkreis Energie entnommen und regenerativ dem Zwischenkreis des Dreipunkt-Wechselrichters oder dem Netz zugeführt wird. Die Energieentnahme kann durch Transformatoren (15) oder durch ein Netzwerk erfolgen, das an die Anschlüsse der Induktivitäten (11) geschaltet wird.
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Die verlustarme Dämpfung des Filters kann auch aktiv erfolgen, indem den Spannungssollwerten des Dreipunkt-Wechselrichters geeignete Werte überlagert werden. Die für eine Dämpfung des Filters erforderlichen Spannungsverläufe lassen sich mittels eines Stromreglers erreichen, der als Zustandsregler ausgeführt ist [3]. Alternativ kann dem Spannungssollwert einer konventionellen Stromregelung oder Steuerung additiv eine Größe überlagert werden, die aus der Differenz von Pulswechselrichterausgangsstrom und Motorstrom und/oder der Änderungsgeschwindigkeit dieser Differenz abgeleitet wird.
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Die Differenz von Pulswechselrichterausgangsstrom und Motorstrom kann durch eine gleichzeitige Messung beider Größen erfolgen. Alternativ eignet sich die Verwendung eines Beobachters oder eines Modells, mit dem unter Kenntnis der Systemparameter und ausgewählter Messgrößen die restlichen Größen geschätzt werden [3]. In
US 5,043,857 werden die Ausgangsströme und Spannungen des Filters gemessen und zur Minimierung der Oberschwingungen verwendet. Eine Dämpfung etwaiger Schwingungen der Filtergrößen wird nicht beschrieben. Unter praktischen Gesichtspunkten ist eine Messung des Filtereingangsstromes vorteilhaft, da so die Leistungshalbleiter effektiv vor Überstrom geschützt werden können. Die nach dem Stand der Technik erforderlichen Messmittel (z. B. die in
US 5,043,857 beschriebene Spannungserfassungen) können mit positiven Einfluss auf die Kosten entfallen, wenn ein erfindungsgemäßer Beobachter eingesetzt wird.
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Bei den mit dem Dreipunkt-Wechselrichter erreichbaren hohen Schaltfrequenzen ist es sinnvoll, die Induktivitäten (11) mit Ferriten oder Eisenpulverkernen zu realisieren. Diese werden von der Industrie typischerweise nicht als Dreischenkelkerne angeboten, da mit Ferriten in der Regel einphasige Drosseln realisiert werden. In Hinblick auf ein optimales Bauvolumen ist es sinnvoll, die Induktivitäten mit einem symmetrischen Dreischenkelkern zu realisieren. Dadurch kann die Anzahl der magnetischen Rückschlüsse minimiert werden.
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Bei Wechselrichtern, die für die Antriebstechnik eingesetzt werden, werden typischerweise die Ausgangsströme des Wechselrichters gemessen. Durch das Filter können die für die Drehmomentbildung maßgeblichen Strangströme von den gemessenen Strömen abweichen. Für eine einfache Drehmomentregelung ist es deshalb sinnvoll, die Filterausgangsströme zu messen.
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Falls nur die Messwerte der Wechselrichterausgangsströme zur Verfügung stehen, kann die Qualität der Stromregelung und der Drehmomentbildung entscheidend verbessert werden, indem der Einfluss des Filters durch ein mathematisches Modell oder ein Beobachter berücksichtigt wird.
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Vorteile bietet die Vorrichtung u. a. bei allen Anwendungen, bei denen eine Erwärmung des Rotors problematisch ist. Solche Anwendungen liegen vor, wenn z. B. der Rotor auf einer Welle montiert ist, die im Vakuum oder bei geringen Luft- und Gasdrücken eingesetzt wird. Bei diesen Anwendungen erfolgt eine Kühlung des Rotors praktisch allein durch Wärmestrahlung, da die Kühlung durch Wärmeleitung oder Konvektion zu vernachlässigen ist.
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Eine geringe Erwärmung des Rotors wird ebenfalls für Anwendungen gewünscht, die eine geringe Wärmeausdehnung erfordern. Die Wärmeausdehnung beeinflusst die Qualität von Schleifprozessen oder die von Prozessen zur spanenden Materialbearbeitung, z. B. mittels Fräsen. Es bietet sich an, für die Antriebe dieser Systeme die erfindungsgemäße Vorrichtung zu verwenden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteransprüchen und der Zeichnung entnommen werden.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und zwar zeigen:
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1 die Speisung einer schnelllaufenden Drehfeldmaschine nach dem Stand der Technik mit einem Zweipunkt-Wechselrichter mit Blockbetrieb und einer Regelung des Zwischenkreisstroms,
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2 die Speisung einer schnelllaufenden Drehfeldmaschine nach dem Stand der Technik mit einem Zweipunkt-Wechselrichter und einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation,
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3 einen Dreipunktwechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis und angekoppelter Drehfeldmaschine,
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4 die Spannungsstellmöglichkeiten des Zweipunkt-Wechselrichters im Vergleich zum Dreipunkt-Wechselrichter,
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5 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Dreipunktwechselrichter durch ein Filter von der Drehfeldmaschine entkoppelt ist,
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6 eine exemplarische Ausführung des Filters (7),
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7 eine weitere exemplarische Ausführung des Filters (7),
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8 eine weitere exemplarische Ausführung des Filters (7) mit einer stromkompensierter Drossel,
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9 eine exemplarische Ausführung des Filters (7) mit Vorrichtung zur regenerativen Dämpfung des Filters,
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10 eine weitere exemplarische Ausführung des Filters (7) mit Vorrichtung zur regenerativen Dämpfung des Filters,
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11 eine weitere exemplarische Ausführung des Filters (7) in einer mehrstufigen Anordnung,
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12 ein Beispiel zur aktiven Dämpfung über ein Rechenwerk, und
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13 ein Beispiel zur aktiven Dämpfung über eine Zustandsregelung.
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1 zeigt eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik, bei dem mit einer Regelung ein Zwischenkreisstrom eingestellt wird. Dieser konstante Zwischenkreisstrom wird mit Hilfe des Zweipunkt-Wechselrichters blockförmig auf die Stränge des Motors geschaltet. Bei dreiphasigen Drehfeldmaschinen beträgt die Blockbreite 120°. Die blockförmigen Strangströme beinhalten Oberschwingungen, die in dem angekoppelten Motor Kupfer- und Eisenverluste in dem Stator und Rotor der Drehfeldmaschine verursachen.
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2 zeigt eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik, bei der mit einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation gearbeitet wird. Der Zweipunktwechselrichter wird mit einem Gleichspannungszwischenkreis gespeist. Aufgrund der bei schnelllaufenden Drehfeldmaschinen üblichen geringen Streu- bzw. Ständerinduktivitäten ist es in Hinblick auf geringe Eisen- und Kupferverluste unumgänglich, die Drehfeldmaschine durch ein Filter von dem Wechselrichter zu entkoppeln.
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3 zeigt einen Dreipunkt-Wechselrichter, wie er nach dem Stand der Technik in Mittelspannungsanwendungen zum Einsatz kommt. Aufgrund der Klemmung der Halbleiter an das Mittenpotential des Gleichspannungszwischenkreises werden die Halbleiter mit einer maximalen Sperrspannung beaufschlagt, die der halben Zwischenkreisspannung entspricht. Dadurch können trotz vergleichsweise hoher Zwischenkreisspannungen IGBTs eingesetzt werden. Im Niederspannungsbereich können mit dieser Topologie extrem hohe Schaltfrequenzen erreicht werden, die zu den dargestellten Vorteilen für Hochgeschwindigkeitsantriebe führen.
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4 zeigt die Spannungsstellmöglichkeiten des Zweipunkt-Wechselrichters (4a) im Vergleich zur denen des Dreipunkt-Wechselrichters (4b). Durch die erhöhte Anzahl von stellbaren Elementarzeigern, die durch die Punkte markiert sind, kann die Strangstromwelligkeit der Drehfeldmaschine deutlich reduziert werden. Rechts neben den markierten Punkten ist der entsprechende Schaltzustand angegeben. Dabei bedeutet eine Null eine Kopplung des Stranges mit dem negativen Zwischenkreispotential, eine Eins eine Kopplung mit dem Mittenpotential und eine Zwei eine Kopplung mit dem positiven Zwischenkreispotentials.
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5 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Drehfeldmaschine über ein Filter von dem Dreipunktwechselrichter entkoppelt ist. Aufgrund der geringen Spannungsbeanspruchung der Halbleiter können beispielsweise MOSFETs eingesetzt werden, so dass eine extrem hohe Schaltfrequenz möglich wird. Dadurch kann das Filter extrem klein gehalten werden.
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6 zeigt eine Ausführung des Filters (7). Für die Funktion sind die Kondensatoren (9) und die Induktivitäten (11) notwendig. Diese Komponenten bilden ein Tiefpassfilter, das die Ströme der Drehfeldmaschine (1) glättet. Die Grenzfrequenz des Filters wird so gewählt, dass sie zwischen der Speisefrequenz der Maschine und der Schaltfrequenz des Dreipunkt-Wechselrichters liegt. Über die optionalen Widerstände (10) kann die Dämpfung des Filters gezielt beeinflusst werden. Über den optionalen Kondensator (8) kann eine Unterdrückung der unsymmetrischen Störungen erreicht werden.
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7 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der durch zusätzliche Induktivitäten (12) eine Reduzierung der Stromspitzen in den Induktivitäten (11) vorgenommen wird.
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8 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der eine stromkompensierte Drossel eingesetzt wird. Durch den für alle Stränge gleichen Wicklungssinn wird eine Unterdrückung der unsymmetrischen Störungen erreicht, da diese stromkompensierte Drossel nur für Nullkomponenten eine von Null verschiedene Induktivität ausweist.
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9 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der durch Transformatoren (15) eine Energieentnahme aus dem Filter (7) erfolgt. Die dem Filter (7) entnommene Energie wird über eine Rückspeiseeinrichtung (16) regenerativ dem Zwischenkreis des Pulswechselrichters oder direkt dem einspeisenden Netz zugeführt. Über die Energieentnahme ist eine Beeinflussung der Dämpfung des Filters (7) möglich.
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10 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der eine Energieentnahme aus dem Filter (7) erfolgt. Dazu wird ein Netzwerk (16) an den Anschlüssen der Induktivitäten (11) geschaltet, die an der dem Dreipunkt-Wechselrichter abgewandten Seite liegen. Die dem Filter (7) entnommene Energie wird über eine Rückspeiseeinrichtung (16) regenerativ dem Zwischenkreis des Pulswechselrichters oder direkt dem einspeisenden Netz zugeführt. Über die Energieentnahme ist eine Beeinflussung der Dämpfung des Filters (7) möglich.
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11 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der eine mehrfache LC-Kombination eingesetzt wird. Mit dem mehrstufigen Aufbau kann eine bessere Unterdrückung der schaltfrequenten Anteile erreicht werden oder die Gesamtbaugröße des Filters verkleinert werden. Die Induktivitäten und Kondensatoren der einzelnen Stufen können unterschiedliche Parameter aufweisen, auch wenn sie in der Zeichnung mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet sind.
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12 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, bei der mittels eines Rechenwerkes eine aktive Dämpfung des Filters erreicht wird. Messtechnisch wird die Differenz der Ströme vor und nach dem Filter bestimmt. Aus dieser Größe und gegebenenfalls aus der Änderungsgeschwindigkeit dieser Größe werden über ein Rechenwerk neue Größen berechnet, die den eigentlichen Strangspannungssollwerten überlagert werden. Statt einer messtechnischen Erfassung der Differenzen können sie über eine Beobachterstruktur oder ein Modell geschätzt werden.
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13 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der eine aktive Dämpfung des Filters über eine Zustandsregelung der Ströme erreicht wird. Bei der Regelung kann es sich um eine vollständige oder eine unvollständige Zustandsregelung handeln. Die zu regelnden Zustandsgrößen können über einen Beobachter geschätzt werden, der ebenfalls vollständig oder unvollständig ausgeführt werden kann.
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Erklärung der Formelzeichen:
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- fMot
- Speisefrequenz der Drehfeldmaschine
- fSchalt
- Schaltfrequenz des Wechselrichters
- fG
- Grenzfrequenz des Filters
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehfeldmaschine
- 2
- Filter zur Glättung der Ausgangsströme des Zweipunkt-Wechselrichters
- 3
- Gleichspannungsquelle
- 4
- Vorrichtung zur Einprägung eines konstanten Gleichstroms
- 5
- Ansteuerung für eine sinusbewertete Pulsbreitenmodulation
- 6
- Ansteuerung für einen Blockbetrieb des Antriebs
- 7
- Filter zur Glättung der Ausgangsströme des Dreipunkt-Wechselrichters
- 8
- Kondensator zur Unterdrückung unsymmetrischer Störungen
- 9
- Kondensatoren des Filters
- 10
- Widerstände zur Beeinflussung der Dämpfung des Filters
- 11
- Induktivitäten des Filters
- 12
- Induktivitäten des Filters zur Reduzierung der Spitzenströme
- 13
- Erd- bzw. Schutzleiterpotential
- 14
- Stromkompensierte Drossel
- 15
- Transformatoren für Energieentnahme
- 16
- Rückspeiseeinrichtung
- 17
- Messeinrichtung zur Erfassung der Ströme der Drehfeldmaschine
- 18
- Einkopplungsstelle für aktive Dämpfung
- 19
- Rechenwerk für aktive Dämpfung
- 20
- Rechenwerk für Regelung oder Steuerung des Antriebssystems
- 21
- Zustandsgrößenbeobachter
- 22
- Zustandsregler
- 23
- Messeinrichtung zur Erfassung der Ausgangsströme des Dreipunkt-Wechselrichters
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Literatur
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- [1] Nabae, A.; Takahashi, I.; Akagi, H.: A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter. IEEE Transaction an Industry Applications, Vol. IA-17, No. 5, 1981.
- [2] Huppunen, J.; Pyrhönen, J.: Filtered PWM-Inverter Drive for High-Speed Solid-Rotor Induction Motors. IEEE Industry Applications Conference, Konf.-ber., Rom, 2000.
- [3] Unbehauen, R.: Systemtheorie. 5. AuflageMüchen/Wien: Oldenbourg 1990.
- [4] DE 198 29 856 A1 : Dreipunkt-Stromrichter und Verfahren zum Betrieb.
- [5] EP 0 969 587 A2 : Voltage clamp snubbers for three level converter.
