DE10159639A1

DE10159639A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung einer Stromrichterelektronik während einer Ankerkurzschlussbremsung einer stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE10159639A1
Application number: DE10159639A
Authority: DE
Inventors: Manfred Bruckmann; Volker Schlape; Olaf Simon
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung einer Stromrichterelektronik (14) während eines Stillsetzungsvorgangs einer stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine (6) mittels eines stromrichtergesteuerten Ankerkurzschlusses und auf eine Vorrichtung (24) zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß wird eine Eingangsspannung (U¶SV¶) der Stromversorgung (8) im Hinblick auf einen zulässigen Spannungsbereich überwacht und werden Steuersignale (S¶UV¶, S¶OV¶) generiert, sobald dieser Spannungsbereich verlassen wird, und werden in Abhängigkeit dieser Steuersignale (S¶UV¶, S¶OV¶) die Ansteuersignale (S¶nuAK¶) zur Generierung eines Ankerkurzschlusses gesperrt bzw. wieder freigegeben. Somit kann ein Ankerkurzschluss von einem Stromrichter auch bei einem Netzfehler aufrechterhalten werden, auch wenn der Bremsvorgang mehr Zeit als die Pufferzeit des Zwischenkreiskondensators (C) beansprucht, wodurch nun ein Matrixumrichter (20) als Industriestromrichter einsetzbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung einer Stromrichterelektronik während eines Stillsetzvorganges einer stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine mittels eines stromrichtergesteuerten Ankerkurzschlusses und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Wie in allen Bereichen der Elektronik kann es auch auf dem Gebiet der Antriebstechnik zum Ausfall der Energieversorgung oder zum Ausfall von elektronischen Bauelementen des Antriebes, wie beispielsweise eines Mikroprozessors oder eines Gebers kommen. Die entsprechenden elektrischen Antriebe trudeln in einem solchen Fehlerfall aus. Da sie nicht mehr kontrolliert werden können, müssen sie durch eine Notbremsung stillgesetzt werden. Dazu wird im allgemeinen die Energiezuführung zum Motor sicher unterbrochen. Ohne zusätzliche Maßnahmen jedoch wird die im System befindliche kinetische Energie nur über die Reibung abgebaut. Je nach Aufbau der durch einen solchen elektrischen Antrieb angetriebenen Maschine und der zugrundeliegenden Masse kann es zu entsprechend langen Auslaufzeiten kommen. Dabei können Achsen auf Endanschläge auffahren, bei mechanisch verkoppelten Achsen kann es zu Kollisionen kommen oder hängende Achsen fallen mit ihrer Gewichtskraft nach unten.

In diesen Fällen muss ein elektrischer Antrieb somit durch eine Notbremsung mit den verbleibenden Mitteln stillgesetzt werden. Dazu werden herkömmlicher Weise mechanische Bremsen eingesetzt, welche über eine externe Logik gestartet werden. Zur Stromverstärkung werden solche mechanische Bremsen über externe Relais geschaltet. Durch Endregung einer Spule entlastet sich eine vorgespannte Feder und bringt das erforderliche Bremsmoment zum Stillsitzen des elektrischen Antriebs auf.

In einem anderen bekannten Verfahren zum Stillsitzen eines elektrischen Antriebs durch eine Notbremsung wird ein externer Ankerkurzschluss des elektrischen Antriebs vorgenommen. Dieser wird ebenfalls über eine externe Logik gesteuert und über ebenfalls externe Schütze geschaltet. Zur Begrenzung des Bremsmomentes dienen externe Widerstände. Durch Entregung einer Schützspule werden über Kontakte die drei Phasen des Motors kurzgeschlossen. Über die Kurzschlussbrücke treibt die Motor-EMK den Bremsstrom. Der Bremsstrom und damit das Bremsmoment kann über Widerstände begrenzt werden.

Die beiden bekannten Maßnahmen zur Notbremsung eines elektrischen Antriebs im Fehlerfall besitzen den Nachteil, dass sie externe Einheiten benötigen, welche selbst störanfällig sind und darüber hinaus mit zusätzlichen Kosten verbunden sind. Hinzu kommt, dass es sich in beiden Fällen um kontaktbehaftete Elektronik handelt, welche neben der Fehleranfälligkeit auch ungünstige Reaktionszeiten bedingt.

Neben diesen in der Praxis umgesetzten Methoden einer Notbremsung eines elektrischen Antriebs, ist aus der europäischen Offenlegungsschrift 0 742 637 ein Verfahren zum sicheren Abbremsen einer stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine bekannt, dass in der Steuerung des Stromrichters integriert ist und somit keine externen Bauelemente mehr benötigt. Bei diesem Verfahren werden die Stromrichterventile einer Brückenseite eines Stromrichters angesteuert, so dass die Ständerwicklungen der Drehfeldmaschine mit einem Potential des Stromrichters elektrisch leitend verbunden sind. Um die Stromrichterventile eines Stromrichters derart anzusteuern, muss eine stromrichternahe Steuerung einen sogenannten Nullvektor generieren. In Abhängigkeit der Topologie des Stromrichters können mehrere Nullvektoren gesteuert werden. Um die Ventilbelastung zu vergleichmäßigen, werden die Stromrichterventile der jeweils anderen Brückenseite des Stromrichters wechselseitig eingeschaltet.

Es ist allgemein bekannt, dass jedes Stromrichtergerät eine Stromversorgung aufweist, die eingangsseitig entweder am Spannungszwischenkreiskondensator oder am Versorgungsnetz angeschlossen ist. Es gibt auch Stromrichtergeräte wobei die Stromversorgung, die eingangsseitig mit einem Netz verbunden ist, aus dem Spannungszwischenkreiskondensator gepuffert wird. In den Fig. 1 und 2 ist jeweils eine bekannte Schaltungsvariante der Stromversorgung bei einem Spannungszwischenkreis-Umrichter näher dargestellt.

In der Fig. 1 sind mit 2 ein Spannungszwischenkreis-Umrichter, mit 4 ein speisendes Netz, mit 6 eine Drehfeldmaschine, insbesondere eine Synchronmaschine permanent erregter Bauart, und mit 8 eine Stromversorgung gekennzeichnet. Der Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 weist einen ungesteuerten netzseitigen Stromrichter 10, einen Zwischenkreiskondensator C und einen selbstgeführten lastseitigen Stromrichter 12 auf. Zum lastseitigen Stromrichter 12 gehört ebenfalls eine Elektronik 14, die die Ansteuerelektronik für die Leistungshalbleiter und unter anderem eine Regel- und Steuereinrichtung aufweist. Diese Elektronik 14 wird mit einer Gleichspannung von beispielsweise +24 V bzw. +/-15 V und +5 V versorgt. Diese Gleichspannung liefert die Stromversorgung 8, die eingangsseitig elektrisch parallel zum Zwischenkreiskondensator C geschaltet ist. Als Stromversorgung 8 ist hier ein DC/DC-Wandler vorgesehen, der aus der Zwischenkreisspannung von mehreren 100 V die bereits erwähnten Gleichspannungen für die Elektronik 14 erzeugt.

Fällt beispielsweise das speisende Netz 4 aus, so wird die kinetische Energie des Antriebs zur Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung der Elektronik 14 benutz. Das heißt, die Drehfeldmaschine 6 wird nicht mehr vom lastseitigen Stromrichter 12 mit Energie versorgt, sondern dieser selbstgeführte Stromrichter 12 wird derart gesteuert, dass die generatorische Energie der Drehfeldmaschine 6 in den Zwischenkreiskondensator C gelangt. Durch diese sogenannte "kinetische Pufferung kann für eine vorbestimmte Zeit der Energieabnahme des Zwischenkreiskondensators C entgegengewirkt werden. Bei Wiederkehr der Netzspannung kann somit der Antrieb mit möglichst wenig Verzögerungszeit wieder normal betrieben werden. Das heißt, es werden kein Bootvorgang sowie Initialisierungsabläufe eines Steuerungsprozessors oder gar ein Stillsetzen der Arbeitsmaschine notwendig.

Bei einem Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 gemäß Fig. 2 ist die Stromversorgung 8 eingangsseitig mit dem speisenden Netz 4 elektrisch leitend verbunden. Diese Stromversorgung 8 weist eingangsseitig einen ungesteuerten Stromrichter 16 auf, der ausgangsseitig mit einem Pufferkondensator C_SV versehen ist. Ausgangsseitig weist diese Stromversorgung 8 einen DC/DC- Wandler 18 auf, der eingangsseitig elektrisch parallel zum Pufferkondensator C_SV geschaltet ist. Die Kapazität des Kondensators C_SV der Stromversorgung 8 ist gegenüber der Kapazität des Zwischenkreiskondensators C des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 viel kleiner. Damit bei dieser Ausführungsform im Falle einer Kurzunterbrechung des versorgenden Netzes 4 die Elektronik 14 bis zur Wiederkehr des Netzes 4 mit Energie versorgt werden kann, wird die Stromversorgung 8 aus dem Spannungszwischenkreiskondensators C über eine Diode gepuffert.

Die Fig. 3 zeigt einen Antrieb, der aus einem Matrixumrichter 20 und einer Drehfeldmaschine 6, insbesondere einer Synchronmaschine permanent erregter Bauart, besteht. Zur Energieversorgung der zugehörigen Elektronik 14, ist ebenfalls eine Stromversorgung 8 vorgesehen, die wie in der Fig. 2 einen ungesteuerten Stromrichter 16, einen Pufferkondensator C_SV und einen DC/DC-Wandler 18 aufweist. Damit im Falle einer Kurzunterbrechung des versorgenden Netzes 4 die Elektronik 14 bis zur Wiederkehr des Netzes 4 mit Energie versorgt werden kann, ist hier ein weiterer ungesteuerter Stromrichter 22 vorgesehen, der wechselspannungsseitig mit den Eingangs-Anschlüssen der Drehfeldmaschine 6 verknüpft ist. Gleichspannungsseitig ist dieser ungesteuerter Stromrichter 22 elektrisch parallel zum Pufferkondensator C_SV geschaltet.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 wird im Falle einer Kurzunterbrechung des speisenden Netzes 4 die Elektronik 14 jeweils mittels der sogenannten "kinetischen Pufferung" aus der kinetischen Energie der Drehfeldmaschine 6 mit Energie versorgt. Bei andauernder Netzstörung oder im Falle eines Fehlers im Stromrichter 12 bzw. Matrixumrichter 20, wodurch der Antrieb austrudeln würde, wird wie eingangs beschrieben, die Drehfeldmaschine 6 mittels eines stromrichtergesteuerten Ankerkurzschlusses abgebremst. Dies hat zur Folge, dass die kinetische Energie zum Abbremsen des Antriebs benutzt wird und dabei in Wärme umgewandelt wird und nicht mehr zur Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung der Stromrichterelektronik 14 dienen kann. Wenn jedoch die Versorgungsspannung U_SV der Stromversorgung 8 unter einem vorbestimmten Wert absinkt, schaltet der selbstgeführte Stromrichter 12 ab, so dass auch der Ankerkurzschluss zur Bremsung des Antriebs nicht mehr zur Verfügung steht. D. h., der Antrieb trudelt aus.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung einer Stromrichterelektronik während eines Stillsetzvorgangs einer stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine mittels eines stromrichtergesteuerten Ankerkurzschlusses und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 und mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Ankerkurzschluss in Abhängigkeit des Spannungswertes der Versorgungsspannung der Stromversorgung kurzzeitig unterbrochen, damit dieser wieder auf einen höheren Wert geladen werden kann. Dadurch kann der Ankerkurzschluss auch für längere Bremszeiten aufrechterhalten bleiben.

Da beim erfindungsgemäßen Verfahren der Ankerkurzschluss nur für eine bestimmte Zeitspanne aufgehoben werden muss, weist die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Zustandserfassungseinrichtung der Versorgungsspannung der Energieversorgung und eine Auswerteeinrichtung auf, die eingangsseitig mit den Ausgängen der Zustandserfassungseinrichtung verknüpft ist. Damit der Zustand der Energieversorgung ermittelt werden kann, sind neben dem Spannungswert der Versorgungsspannung der Energieversorgung außerdem zwei Grenzwerte dieser Zustandserfassungseinrichtung zugeführt. Sobald der Spannungswert unterhalb des durch den unteren Grenzwert festgelegten Wertes liegt, wird der Ankerkurzschluss solange unterbrochen bis dieser wieder oberhalb des oberen Grenzwertes liegt. Die Unterbrechung des Ankerkurzschlusses erfolgt durch eine Impulssperre.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen 3 bis 10 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung bezug genommen, in der eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Ausführungsform einer Stromversorgung eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, die

Fig. 2 zeigt eine weitere bekannte Ausführungsform einer Stromversorgung eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, die

Fig. 3 zeigt eine bekannte Ausführungsform einer Stromversorgung eines Matrixumrichters, und in der

Fig. 4 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht.

Gemäß der Fig. 4 weitst die Vorrichtung 24 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Zustandserfassungseinrichtung 26 und eine Auswerteeinrichtung 28 auf. Diese Zustandserfassungseinrichtung 26 besteht aus zwei Vergleichseinrichtungen 30 und 32, die ausgangsseitig jeweils mit einem Eingang der Auswerteeinrichtung 28 verknüpft sind. An den beiden Eingängen jeder Vergleichseinrichtung 30 bzw. 32 stehen ein ermittelter Spannungs-Istwert der Versorgungsspannung U_SV der Stromversorgung 8 der Stromrichterelektronik 14 und ein Grenzwert U_Gu bzw. U_Go an. Diese beiden Grenzwerte U_Gu und U_Go bestimmen einen unkritischen Wertebereich der Versorgungsspannung U_SV der Stromversorgung 8. Dieser wird über die Steuersignale S_UV und S_OV an die Auswerteeinrichtung 28 weitergeleitet.

Dieser Auswerteeinrichtung 28 wird außerdem ein Steuersignal S_AK zur Generierung des Ankerkurzschlusses zugeführt. Die Auswerteinrichtung 28 erzeugt Ansteuersignale S_ν _AK, die der Ansteuereinrichtung 34 des selbstgeführten Stromrichters 12 bzw. des Matrixumrichters 20 zugeführt werden. Mittels dieser generierten Ansteuersignale S_ν _AK erzeugt der selbstgeführte Stromrichter 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 bzw. des Matrixumrichters 20 einen Ankerkurzschluss, so dass die Drehfeldmaschine 6 abgebremst wird.

Wird das Steuersignal S_UV von der Zustandserfassungseinrichtung 26 generiert, so ist der Spannungs-Istwert der Versorgungsspannung U_SV der Stromversorgung 8 kleiner als der untere Grenzwert U_Gu. Das heißt, die Eingangsspannung S_UV ist für die Aufrechterhaltung der Energieversorgung nur noch knapp ausreichend. Dieses erzeugte Steuersignal S_UV bewirkt in der Auswerteeinrichtung 28, dass die Ansteuersignale S_ν _AK alle Ventile sperren. Dadurch wird der Ankerkurzschluss aufgehoben und die in den Statorwicklungen induktiv gespeicherte Energie wird zum Nachladen des Zwischenkreiskondensators C bzw. des Pufferkondensators C_SV der Stromversorgung 8 verwendet. Sobald der Spannungs-Istwert der Versorgungsspannung %, der Stromversorgung 8 gleich dem oberen Grenzwert U_Go ist, wird das Steuersignal S_OV generiert. Dieses Steuersignal S_OV hebt die Impulssperre in der Auswerteeinrichtung 28 wieder auf, so dass wieder Ansteuersignale S_ν _AK zur Herstellung eines Nullvektors der Ansteuereinrichtung 34 zugeführt werden, wodurch die Drehfeldmaschine 6 mittels des stromrichtergesteuerten Ankerkurzschlusses weiter abgebremst wird.

Da die Ausgangssignale der Vorrichtung 24 die Ansteuersignale S_ν _AK für die Ansteuereinrichtung 34 des selbstgeführten Stromrichters 2 bzw. des Matrixumrichters 20 sind, ist es vorteilhaft, dass diese Vorrichtung 24 in einer nicht näher dargestellten Steuereinrichtung des Umrichters 2 bzw. 20 integriert ist, wobei diese Integration z. B. über eine Logik realisiert wird.

Mittels diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Ankerkurzschluss von einem Stromrichter auch bei einem andauernden Netzfehler aufrechterhalten werden, auch wenn der Bremsvorgang mehr Zeit als die Pufferzeit des Zwischenkreiskondensators C eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 beansprucht. Außerdem kann nun ein Matrixumrichter 20 auch als Industriestromrichter mit der Funktion des umrichtergesteuerten Ankerkurzschlusses verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zur Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung einer Stromrichterelektronik während eines Stillsetzvorgangs einer stromrichtergespeisten Drehfeldmaschine (6) mittels eines stromrichtergesteuerten Ankerkurzschlusses mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Überwachen einer ermittelten Versorgungsspannung (U_SV) einer Stromversorgung (8) auf Unterscheidung eines vorbestimmten unteren Grenzwertes (U_Gu),

b) Aufhebung eines stromrichtergesteuerten Ankerkurzschlusses durch Sperren von Ansteuersignale (S_ν _AK), sobald die ermittelte Versorgungsspannung (U_SV) den Grenzwert (U_Gu) unterschritten hat, und

c) Wiederherstellung des stromrichtergesteuerten Ankerkurzschlusses über die Ansteuersignale (S_ν _AK), sobald die ermittelte Versorgungsspannung (U_SV) einen vorbestimmten oberen Grenzwert (U_Go) wieder überschritten hat.

2. Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung (24) eingangsseitig eine Zustandserfassungseinrichtung (26) und ausgangsseitig eine Auswerteeinrichtung (28) aufweist, die eingangsseitig mit Ausgängen der Zustandserfassungseinrichtung (26) verknüpft ist, dass an den Eingängen der Zustandserfassungseinrichtung (26) ein ermittelter Spannungs-Istwert der Versorgungsspannung (U_SV) der Stromversorgung (8) und ein unterer und oberer Grenzwert (U_Gu, U_Go) anstehen und dass an der Auswerteeinrichtung (28) ein Steuersignal (S_AK) für die Generierung des Ankerkurzschlusses ansteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandserfassungseinrichtung (26) zwei Vergleichseinrichtungen (30, 32) aufweist, den jeweils der ermittelte Spannungs-Istwert der Versorgungsspannung (U_SV) der Stromversorgung (8) und ein Grenzwert (U_Gu, U_Go) zugeführt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (30, 32) je ein Komparator ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung ein Komparator mit Hysterese ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (28) eine Logikschaltung ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in der Steuerungssoftware des Stromrichters (12, 20) integriert ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einer Steuerungslogik des Stromrichters integriert ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter ein Spannungszwischenkreis-Umrichter (2) ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter ein Matrixumrichter (20) ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stromrichtergespeiste Drehfeldmaschine (6) eine Synchronmaschine permanent erregter Bauart ist.