DE102011050719B4

DE102011050719B4 - Notbetriebsfähige Drehstrommotor-Antriebsschaltung

Info

Publication number: DE102011050719B4
Application number: DE102011050719.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bünte; Jürgen Rühl
Original assignee: LTI Reenergy GmbH Heinrich Hertz Strasse
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: DE102011050719A1

Abstract

Notbetriebsfähige Antriebsschaltung (50, 54, 100) für einen Drehstrommotor (38) mit beidseitig kontaktierbaren Motorsträngen (30), umfassend zwei Wechselrichtereinheiten (16a, 16b), die jeweils mit einer Kontaktseite (76a, 76b) der Motorstränge (30) verbunden sind, wobei jede Wechselrichtereinheit (16a, 16b) in einer separaten Umrichtereinrichtung (13a, 13b) mit Zwischenkreis (18a, 18b) umfasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselrichtereinheit (16a) durch einen von einem Versorgungsnetz (12) gespeisten DC-Zwischenkreis (18a) versorgbar ist, und die zweite Wechselrichtereinheit (16b) durch eine DC-Energiespeichereinrichtung (110) versorgbar ist, so dass der Motor (38) in einer ersten Normalbetriebsart durch verkettete Strangspannungen der Wechselrichtereinheiten (16a, 16b) in einem Doppelwechselrichterbetrieb durch das Versorgungsnetz (12) und die Energiespeichereinrichtung (110) bestrombar ist, und parallel oder unabhängig hiervon die Energiespeichereinrichtung (110) aufladbar ist, und in einer zweiten Notbetriebsart der Motor (38) alleine durch die Energiespeichereinrichtung (110) oder alleine durch das Versorgungsnetz (12) bestrombar ist, wofür zumindest zwei Y-Schaltelemente (40, 44) vorgesehen sind, um jeweils eine der beiden Kontaktseiten (76a, 76b) der Motorstränge (30) zur Bildung einer Y-Schaltung für die Notbetriebsart kurzzuschließen, wobei Notbetriebsteuerleitungen (58a, 58b) der beiden Umrichtereinrichtungen (13a, 13b) vorgesehen sind, um die jeweilige gegenüberliegende Kontaktseite (76a, 76b) der Motorstränge (30) über die Y-Schaltelemente (40, 44) kurzzuschließen.

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine notbetriebsfähige Motorantriebsschaltung für einen Drehstrommotor mit beidseitig kontaktierbaren Motorsträngen. Die Schaltung umfasst zwei Wechselrichtereinheiten, die jeweils mit einer Kontaktseite der Motorstränge verbunden sind nach der Lehre des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schaltung.
Gattungsgemäße Motorantriebsschaltung werden beispielsweise in Pitchantrieben von Wind- oder Wasserkraftanlagen zur Verstellung des Anstellwinkels (Pitches) eines Rotors oder Turbine gegen ein Anströmmedium wie Wind oder Wasser eingesetzt. Zur Verstellung des Anstellwinkels wird in vielen Fällen ein Drehstrommotor verwendet, der mittels einer Umrichtereinrichtung bestromt wird. Die Umrichtereinrichtung besteht im Prinzip aus einem Gleichrichter, der aus einer AC-Netzspannung eine DC-Gleichspannung für einen Gleichspannungszwischenkreis herstellt, wobei dieser Zwischenkreis einen Wechselrichter speist. Die Gleichrichtung kann ungesteuert oder gesteuert, beispielsweise mit einer Phasenanschnittssteuerung, erfolgen. Ebenfalls denkbar sind aktive Einspeiseeinheiten, die rückspeisefähig sein können. Die konkrete Ausgestaltung des Gleichrichters entspricht dem Stand der Technik, im Folgenden wird deshalb diese Einheit, die einen DC-Zwischenkreis versorgt, immer als Gleichrichter beschrieben. Der Wechselrichter dient dazu, die DC-Gleichspannung des Zwischenkreises in eine Wechselspannung zur Bestromung des Drehstrommotors umzuwandeln. Die Wechselrichter arbeiten auf Basis leistungselektronischer Schalter, zum Beispiel mittels dreier Halbbrücken, die beispielsweise als MOSFET, IGBT-Transistoren oder IGCT-Transistoren ausgelegt sind. Diese erzeugen durch Pulsweitenmodulation eine veränderliche Spannung, wobei die Höhe der Ausgangsspannung sowie die Frequenz in weiten Grenzen geregelt werden können, um sowohl Asynchron- als auch Synchronmotoren anzutreiben. Hierdurch können beliebige Drehzahlen bzw. Drehmomente der Drehstrommotoren eingestellt werden. Die Motorstränge des Motors sind dabei in einer Stern- oder Dreiecksschaltung zumindest auf einer Kontaktseite miteinander verbunden.
Zur Erhöhung einer Ausfallsicherheit und Verringerung von Stillstandszeiten können derartige Antriebsschaltungen einen Notenergiespeicher umfassen, der auf Basis einer Hilfsenergiequelle, meist Batterie oder Akkumulator, eine Gleichstromversorgung bereitstellen kann. Hierbei ergibt sich das Problem, dass eine AC-Antriebsvorrichtung im Notbetrieb mit DC-Spannung versorgt wird. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass ein Drehstrom-Antriebsmotor durch Einspeisung eines Gleichstroms in den DC-Zwischenkreis eines Umrichters betreibbar ist. Hierbei ergibt sich allerdings das Problem, dass bei einem Defekt der Wechselrichtereinheit der Antrieb vollständig ausfällt und der Motor und damit das angeschaltete mechanische System ausfällt.
Die Erfindung betrifft eine Notbetriebsfähigkeit einer Motor-Antriebsschaltung auf Basis einer Doppelwechselrichterstruktur, in der durch Redundanz der Wechselrichtereinheit sowie einer DC-Notenergieversorgung eine erhöhte Ausfallsicherheit beim Betrieb des Drehstrommotors gewährleistet werden kann. Aus dem Stand der Technik sind hierzu verschiedenartige Konzepte bekannt, beispielsweise die redundante Auslegung des gesamten Antriebssystems, wobei zwei oder mehrere Umrichtereinrichtungen sowie zwei oder mehrere Drehstrommotoren eingesetzt werden. Daneben gibt es Antriebsschaltungen, bei denen ein einzelner Motor durch zwei parallel umschaltbare Umrichtereinrichtungen angesteuert werden kann. Hierdurch wird in der ersten Betriebsart (Normalbetrieb) ein redundant gehaltener Antriebszweig für eine zweite Betriebsart (Notbetrieb) vorgehalten, wodurch Herstell- und Wartungsaufwand ohne Zusatznutzen für den Normalbetrieb erhöht sind.
Aus dem Stand der Technik sind Doppelwechselrichter-Antriebsschaltungen bekannt, wobei Voraussetzung hierfür ein Drehstrommotor mit beidseitig zugänglichen Motorsträngen ist, d.h. einem Motor, bei dem die Motorstränge, d.h. einzelne miteinander verbundene Ständer- aber auch Läuferwicklungen, von zwei Kontaktseiten von außen zugänglich sind. Die Motorstränge einer ersten Kontaktseite werden in der Regel mit einer ersten Umrichtereinrichtung und die der zweiten Kontaktseite mit einer zweiten Umrichtereinrichtung verbunden. Durch abgestimmte Ansteuerung der Wechselrichter, die in den Umrichtereinrichtungen umfasst sind, können höhere Motorleistungen durch diesen Doppelumrichterbetrieb erreicht werden. Solche Doppelumrichterschaltungen erzielen eine höhere Leistung aus der Tatsache, dass bei gleicher Zwischenkreisspannung eine höhere Spannung an den Drehstrommotor angelegt werden kann als bei einer konventionellen Umrichtereinrichtung; der Motor kann somit für eine vorgegebene Leistung mit höherer Bemessungsspannung aber kleinerem Bemessungsstrom ausgelegt werden. Die maximale Leiterspannung, die einen Servoregler-Umrichter an einen in Sternschaltung konfigurierten Motor anlegen kann, ist die DC-Zwischenkreisspannung. Bei einem konventionellen Umrichter wirkt diese Spannung als verkettete Spannung über eine (Δ-Schaltung) bzw. zwei Motorstränge (Y-Schaltung). Bei einem Doppelumrichter kann diese maximale Spannung als Strangspannung wirken, während gleichzeitig die Wicklungsstränge mit den gleichen Strömen beaufschlagt werden können und somit identische Drehmomente erreicht werden können. Die Erhöhung der Spannung um den Faktor 3 führt zu einer Erhöhung der Bemessungsdrehzahl und damit der Motorleistung. Alternativ kann bei einer angepassten Motorauswahl der Bemessungsstrom von vornherein um den Faktor 3 abgesenkt werden, so dass leistungsärmere Umrichter eingesetzt werden können.
Für einen Doppelumrichterbetrieb ist es erforderlich, dass die beiden Umrichter synchron miteinander arbeiten. Eine solche Synchronisation kann beispielsweise durch eine Kommunikations-Steuerleitung erreicht werden, die eine Synchronisierung und eine Einstellung wichtiger Parameter ermöglicht. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass die beiden Zwischenkreise der beiden Umrichtereinrichtungen, die die beiden Seiten der Motorstränge des Drehstrommotors bestromen, miteinander verbunden sind, um einen Energieaustausch zwischen den beiden Zwischenkreisen der Umrichtereinrichtungen zu ermöglichen.
Allerdings hat sich insbesondere bei sicherheitsrelevanten Antriebssystemen, wie einem Pitchantrieb, herausgestellt, dass Umrichtereinrichtungen insbesondere bei Überspannung, Blitzschlag oder Überlast deutlich stärker ausfallgefährdet sind als die elektromechanischen Antriebsmotoren. Solche sicherheitsrelevanten Anwendungen können neben einer Pitchregelung einer Wind- oder Wasserkraftanlage, bei der der Ausfall zur Zerstörung der Energieanlage führen kann, beispielsweise Ansteuerschaltungen für Aufzugsantriebe, Torantriebe, Fahrzeugantriebe, Pumpen- oder Verdichterantriebe oder sonstige sicherheitsrelevante Antriebssysteme sein.
Daher ergibt sich aus dem Stand der Technik das Problem, eine Motorantriebsschaltung derart zu erweitern, dass sie im Doppelumrichterbetrieb eine hohe Redundanz und Ausfallsicherheit aufweist, wobei bei Anordnung zweier Umrichtereinrichtungen ein erhöhtes Ausfallrisiko verringert und gleichzeitig die Vorteile einer Doppelrichterschaltung für ein sicherheitsrelevantes Antriebssystem ausgenutzt werden können.
Aus der gattungsgemäßen Druckschrift US 8 058 830 B2 geht eine Doppelwechselrichtertopologie zum Betrieb eines dreiphasigen Fahrzeugmotors hervor, bei dem eine erste elektrische Energiequelle über einen ersten Wechselrichter mit einer ersten Kontaktseite der Motorstränge und ein Gleichrichter über einen zweiten Wechselrichter zur Versorgung des Motors mit einer zweiten Kontaktseite der Motorstränge verbunden sind. Der Gleichrichter wird von einem durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Generator gespeist. Die Schaltungsanordnung dient zum Antrieb eines Hybridfahrzeuges, wobei die erste Energiequelle den Motor betreiben kann, und bei niedriger Ladekapazität eine Range-Extending-Funktion mittels Bestromung durch den Gleichrichter herstellbar ist.
Die DE 10 2008 037 064 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur redundanten Versorgung eines in Sternschaltung geschalteten Drehstrommotors mittels zumindest zwei elektrischen Energiequellen und zwei Wechselrichtern, wobei zumindest eine elektrische Energiequelle mittels eines Schalters von dem elektrischen Antrieb trennbar ist.
In der WO 2009/070089 A1 wird ein Verfahren und ein System zur Steuerung eines Drehstrommotors für einen Fahrzeugantrieb vorgeschlagen, wobei zwischen einer Stern- und einer Dreieckschaltung für den Betrieb mit hoher- bzw. niedriger Drehzahl umgeschaltet werden kann.
Die US 7 800 331 B2 lehrt eine mit der US 8 058 830 B2 verwandte Doppelwechselrichtertopologie zum Betrieb eines Drehstrommotors für einen elektrischen Fahrzeugantrieb, wobei die Bereitstellung von elektrischer Energie einer ersten und einer zweiten Energiequelle von dem angeforderten Drehmoment abhängt.
Daneben betrifft die DE 199 57 064 A1 einen Deckel mit mechanischer und elektrischer Schnittstelle für weitere derartige Teile, wobei der Deckel für einen Motoranschlusskasten mit elektronischer Schaltung zum elektrischen Beeinflussen eines Asynchronmotors vorgesehen ist. Der Asynchronmotor wird in Sternschaltung betrieben.
Die JP 2009-273348 A beschreibt eine Doppelwechselrichterschaltung, die an einer gemeinsamen DC-Stromversorgung angeschlossen sind. Zwischen einer zweiten Wechselrichtereinheit und den Motorsträngen ist ein Kurzschlussschaltelement angeordnet, die die Motorstränge für einen einseitigen Wechselrichterbetrieb mittels einer ersten Wechselrichtereinheit miteinander verbinden kann, um somit einen Einzelwechselrichterbetrieb bereitstellen zu können.
Die oben genannten Nachteile werden durch eine Antriebsschaltung und einem Antriebsverfahren zum Betrieb einer Antriebsschaltung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In einem ersten erfinderischen Aspekt wird eine notbetriebsfähige Antriebsschaltung für einen Drehstrommotor mit beidseitig kontaktierbaren Motorsträngen vorgeschlagen, die zwei Wechselrichtereinheiten, die jeweils mit einer Kontaktseite der Motorstränge verbunden sind, umfasst. Jede Wechselrichtereinheit ist in einer separaten Umrichtereinrichtung mit Zwischenkreis umfasst. Die erste Wechselrichtereinheit ist durch einen von einem Versorgungsnetz gespeisten DC-Zwischenkreis versorgbar, und die zweite Wechselrichtereinheit ist durch eine DC-Energiespeichereinrichtung versorgbar, so dass der Motor in einer ersten Normalbetriebsart durch verkettete Strangspannungen der Wechselrichtereinheiten in einem Doppelwechselrichterbetrieb durch das Versorgungsnetz und durch die Energiespeichereinrichtung bestrombar und parallel oder unabhängig hiervon die Energiespeichereinrichtung aufladbar ist und in einer zweiten Notbetriebsart alleine durch die DC-Energiespeichereinrichtung oder durch das Versorgungsnetz bestrombar ist, wofür zumindest zwei Y-Schaltelemente vorgesehen sind, um jeweils eine der beiden Kontaktseite der Motorstränge zur Bildung einer Y-Schaltung für die Notbetriebsart kurzzuschließen, wobei Notbetriebsteuerleitungen der beiden Umrichtereinrichtungen vorgesehen sind, um die jeweilige gegenüberliegende Kontaktseite der Motorstränge über die Y-Schaltelemente kurzzuschliessen.
Mit anderen Worten schlägt die Erfindung eine Doppelwechselrichterantriebsschaltung vor, bei der ein Drehstrommotor, der beidseitig kontaktierbare Motorstränge, insbesondere drei Motorstränge, aber auch mehrere Motorstränge aufweisen kann, mittels zweier Wechselrichtereinheiten bestrombar ist. In der Verbindung zwischen jeder Wechselrichtereinheit und einer Kontaktseite der Motorstränge kann ein Entkopplungs-Schaltelement zur schaltbaren Verbindung bzw. im Fehlerfall zur Abkopplung angeordnet sein. An mindestens einer Kontaktseite, denkbar aber auch an beiden Kontaktseiten, ist zumindest ein Schaltelement, beispielsweise ein elektromechanisches Schützelement oder ein elektronisches Schaltelement angeordnet, das bei Ausfall einer Wechselrichtereinheit in eine zweite Schaltstellung umschalten kann, so dass in der zweiten Betriebsart eine Bestromung durch die verbleibende aktive Wechselrichtereinheit mittels der Energiespeichereinrichtung möglich ist. Die Motorbestromung kann in der zweiten Betriebsart über die erste oder die zweite Wechselrichtereinheit erfolgen, bevorzugt über die zweite Wechselrichtereinheit, da diese bevorzugt über ein Schaltelement trennbar und daher im Wesentlichen direkt mit der Energiespeichereinrichtung verbunden ist. Die erste Wechselrichtereinheit ist an einem durch ein Versorgungsnetz bestromten DC-Zwischenkreis und die zweite Wechselrichtereinheit ist über einen DC-Zwischenkreis an eine DC-Energiespeichereinrichtung zumindest mittelbar angeschlossen. Die DC-Energiespeichereinrichtung kann beispielsweise ein oder mehrere Doppelschichtkondensatoren, Akkumulatoren oder vergleichbare wiederaufladbare DC-Energiespeichermittel umfassen. Sie kann Gleichspannung speichern und kann in einer ersten Betriebsart (Normalbetrieb) über die Motorstränge des Motors mit Aufladeenergie versorgt werden. Zusätzlich ist vorteilhaft denkbar, dass die DC-Energiespeichereinrichtung durch eine unabhängige Aufladeeinrichtung durch das Versorgungsnetz aufgeladen werden kann. In der zweiten Betriebsart (Notbetrieb) kann mittels eines oder mehrerer Schaltelemente eine Versorgung des Motors mittels Energie der Energiespeichereinrichtung und der zweiten Wechselrichtereinrichtung gewährleistet werden.
Somit kann ein Normalbetrieb realisiert werden, in dem der Motor mittels beider Wechselrichtereinheiten und einer Netz- und Akkuversorgung bestromt werden kann, so dass, sofern etwa gleich hohe DC-Zwischenkreisspannungen zur Verfügung gestellt werden können, eine um ca. 70 Prozent höhere Antriebsleistung des Motors erreicht werden kann. In einem solchen Fall können beispielsweise bei einem 400-Volt-Drehstromnetz Motoren eingesetzt werden, die in Sternschaltung für 690-Volt-Netze vorgesehen sind. Der Leistungsbereich kann somit um den Faktor 1,73 erhöht werden. Dabei entstehen im Motorbetrieb geringere Stromrippel, d.h. ein geringeres Maß an THD-Oberwellen (Total Harmonic Distortions), so dass eine störende Netzrückwirkung verringert wird. Des Weiteren können induktivitätsärmere Motoren, z.B. HS-Motoren (High-Speed-Motoren), eingesetzt werden, um eine vergleichbare Antriebsleistung bzw. Drehmoment und Drehzahl zu erreichen.
Als Motor kann ein standardmäßiger Drehstrommotor verwendet werden, bei dem alle sechs Wicklungsenden herausgeführt sind, wie es bei Asynchronmotoren typischerweise der Fall ist. Bei Synchronmotoren, insbesondere Permanentsynchronmotoren, ist der Zugang zu allen sechs Wicklungsenden in der Regel ohne großen Aufwand möglich. Die notbetriebsfähige Motorantriebsschaltung verbindet die Vorteile eines Doppelwechselrichterbetriebs mit einer hohen Redundanz, d.h. Störsicherheit, so dass bei einem sicherheitsrelevanten Antrieb, z.B. Verstellung des Rotorblatts einer Wind- oder Wasserkraftanlage, aber auch bei einem Fahrzeugantrieb, eines Aufzug- oder Torantriebs, eines Pumpen- oder Verdichterantriebs eine hohe Ausfallsicherheit gewährleistet werden kann.
Da in sicherheitsrelevanten Antrieben der Einsatz von Doppelwechselrichtereinheiten zu einem erhöhtem Ausfallrisiko der Halbleiterbauteile führen kann, ist erfindungsgemäß zumindest ein Schaltelement in den Motorstrangleitungen derart angeordnet, dass bei Ausfall zumindest einer Wechselrichtereinheit, insbesondere der netzbestromten Umrichtereinrichtung, eine Bestromung des Drehstrommotors durch die verbleibende zweite, energiespeicherversorgte Wechselrichtereinheit möglich ist. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Schaltelement die Motorstränge einer Kontaktseite kurzschließt, um eine Sternschaltung (Y-Schaltung) zu realisieren. Es kann des Weiteren möglich sein, korrespondierende Motorstränge beider Kontaktseiten derart miteinander zu verbinden, dass eine Dreiecksschaltung (Δ-Schaltung) realisierbar wird.
So wird erfindungsgemäß zumindest ein Schaltelement vorgesehen, um im Bedarfsfall, beispielsweise in der zweiten Betriebsart, zumindest eine Kontaktseite der Motorstränge zur Bildung einer Y-Schaltung kurzzuschließen und bevorzugt dabei von der angeschlossenen Wechselrichtereinheit zu trennen. Das Schaltelement schließt alle Kontakte der Motorstränge einer Kontaktseite kurz, so dass bei Bestromung der Motorstränge der gegenüberliegenden Kontaktseite ein Sternbetrieb des Motors möglich ist. Somit kann zumindest eine, vorteilhafterweise beide, Wechselrichtereinheiten eine Y-Bestromung des Motors durchführen, sofern auf jeder Kontaktseite ein Y-Schaltelement vorgesehen ist. Im Rahmen einer Sternschaltung kann ein hohes Anlaufdrehmoment erzeugt werden, wobei die Drehzahl limitiert ist. Insbesondere im Falle hoher Anfahrlast kann eine Sternschaltung vorteilhaft beim Hochfahren des Motors eingesetzt werden. Anschließend kann beispielsweise in der ersten Betriebsart mit beidseitig bestromenden Wechselrichtereinheiten umgeschaltet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Schaltelement vorgesehen sein, um im Notbetriebsfall die Kontaktseiten der Motorstränge zur Bildung einer Δ-Schaltung zu verbinden. Das Schaltelement kann jeweils um 120° versetzte Motorstränge der beiden Kontaktseiten in der zweiten Betriebsart kurzschließen, so dass eine Dreiecksschaltung der Motorstränge realisiert werden kann, wobei eine Bestromung von der einen sowie von der anderen Wechselrichtereinheitsseite, bevorzugt von der zweiten, energiespeicherversorgten Wechselrichtereinheit möglich ist. In diesem Fall genügt ein einzelnes Schaltelement, um den Motor in eine notbetriebsfähige Schaltung zu integrieren, so dass ein beidseitiger Bestromungsbetrieb mittels einer Wechselrichtereinheit möglich ist. In allen Fällen muss allerdings verhindert werden, dass bei dem zweiten Schaltzustand des Schaltelements weiterhin beide Wechselrichtereinheiten aktiv arbeiten, da es ansonsten zu einem Kurzschluss der Wechselrichtereinheiten kommen kann. Im Rahmen einer Dreiecksschaltung der Motorstränge kann der Motor mit voller Drehzahl aber einem reduzierten Drehmoment betrieben werden. Somit kann je nach Anordnung in Sternschaltung oder Dreieckschaltung der Schaltelemente eine Sternschaltung bzw. Dreieckschaltung realisiert werden, um entweder ein hohes Drehmoment oder eine hohe Drehzahl in der zweiten Betriebsart gewährleisten zu können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann in der ersten Betriebsart durch eine abgestimmte Ansteuerung, beispielsweise eine abgestimmte oder synchronisierte PWM-Spannungsvorgabe der beiden Wechselrichtereinheiten die Energiespeichereinrichtung sowohl über die erste Wechselrichtereinheit und die Motorstränge hinweg aufladbar sein, als auch durch generatorische Energie des Motors (38) aufladbar sein. Hierzu können Phasenfolgen und Amplituden der Ansteuerspannungen der Wechselrichtereinheiten eingestellt und ein vordefinierbarer Phasenversatz eingeprägt werden. Hierbei können mittels eines geeigneten Wechselrichter-Reglerverfahrens die Spannungs- und Stromzeiger der beiden Wechsel richter derart zueinander in Beziehung gesetzt werden, dass die Übertragung von Aufladeenergie von der ersten Wechselrichtereinheit zur zweiten Wechselrichtereinheit erreicht werden kann. Hierzu können auf analogem oder digitalem Wege Synchronisationsinformationen wie Phasenlage, Spannungs- und Stromamplitudenwerte, Höhe der DC-Zwischenkreisspannung etc. übertragen werden. Eine zentrale Reglereinrichtung oder ein in einer Umrichtereinrichtung integrierter Regler kann eine Synchronisation der beiden Wechselrichteransteuerungen vornehmen. Somit kann der Leistungsfluss zwischen den beiden Wechselrichtereinheiten frei eingestellt werden, wobei unter Vernachlässigung parasitärer Energiespeicher, zu denen auch die Induktivitäten der Motorwicklungen zählen, mit P₁, P₂ Leistung der ersten und zweiten Wechselrichtereinheit und P_M der Motorleistung gilt: P₁ = P_M + P₂. P₂ gibt die Leistungsaufnahme (P₂ > 0) und Leistungsabgabe (P₂ < 0) der Energiespeichereinrichtung an den Motor über die zweite Wechselrichtereinheit an, und kann beliebig in den Grenzen P_M – P_1max ≤ P₂ ≤ P_M + P_1max eingestellt werden. Dabei ist P_1max die maximale Leistung, die die erste Wechselrichtereinheit aufgrund des aktuell fließenden Stromes abgeben kann – ohne Betrachtung der Blindleistung des Motors. Die PWM-Synchronisation stellt ein Lademanagement der Energiespeichereinrichtung zur Verfügung, die sicherzustellen hat, dass immer hinreichend Energie in der Energiespeichereinrichtung für die zweite Betriebsart gespeichert ist. Das Lademanagement kann in einem der beiden Wechselrichtereinheiten integriert sein. So kann ein Leistungsfluss in beiden Richtungen, von erster zu zweiter Wechselrichtereinheit über die Motorstränge hinweg oder umgekehrt erreicht werden. Verschiedene Regelmechanismen und Vorteile können dabei sein:

– Batterieladefunktionalität: Der Ladezustand der an der zweiten Wechselrichtereinheit angeschlossenen Energiespeichereinrichtung kann über den Leistungsfluss der ersten Wechselrichtereinheit in den Motor gesteuert werden. Es können sehr hohe Ladeströme bis zum Maximalstrom der ersten Wechselrichtereinheit zur Verfügung gestellt werden, die klassischerweise nur aufwendig realisierbar sind.
– Bremsenergie bzw. generatorische Energie des Motors kann von der zweiten Wechselrichtereinheit aufgenommen und in der Energiespeichereinrichtung gespeichert werden. Durch diese Rekuperation kann die mittlere Verlustleistung der Antriebsschaltung verringert und ein Brems-Chopper und Bremswiderstand verkleinert ausgeführt bzw. nicht mehr benötigt werden. Besonders vorteilhaft ist diese Betriebsart, falls der Energiespeicher auch einen dynamischen Energiefluss erlaubt, z.B. wenn Kondensatoren oder Ultracaps anstelle von oder ergänzend zu typischen wiederaufladbaren Batterien eingesetzt werden.
– Die von der ersten Wechselrichtereinheit dem Versorgungsnetz entzogene Leistung kann durch das Zusammenspiel mit der Energiespeichereinrichtung geglättet und Leistungsspitzen der Netzbelastung unterdrückt werden. Glättungskondensatoren, Induktivitätsdrosseln oder andere Glättungsbauelemente können geringer dimensioniert, weggelassen oder geschont werden. So werden beispielsweise bei Übertragung von Energie über Schleifringe in den drehenden Teil eines Rotors (z.B. Windkraftanlage), die Schleifringe des Pitchsystems geschont.
– Boost-Funktion mittels Energiespeichereinrichtung, so dass kurzfristig Energie zur Abfederung von Leistungsspitzen aus der Energiespeichereinrichtung entnommen werden kann – beispielsweise für eine Schnell- oder Notfahrt. Hierdurch wird das Versorgungsnetz entlastet und hohe Stromspitzen vermieden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann jede Wechselrichtereinheit in einer Umrichtereinrichtung umfasst sein, wobei die beiden Umrichtereinrichtungen zu Synchronisationszwecken mit einer Kommunikations-Steuerleitung miteinander verbunden sind, und/oder zumindest ein Drehwinkel des Motors durch zumindest eine Umrichtereinrichtung, bevorzugt beide Umrichtereinrichtungen über zumindest einen Drehwinkelsensor bestimmbar ist. Durch die Kommunikations-Steuerleitung, die beispielsweise ein Feldbussystem realisiert, kann in der ersten Betriebsart eine Umrichtereinrichtung als Master-Umrichtereinrichtung und eine zweite Umrichtereinrichtung als Slave-Umrichtereinrichtung geschaltet sein, die wie oben bereits dargestellt eine Taktung der Master-Umrichtereinrichtung zur Erzeugung abgestimmter PWM-Signale der Slave-Umrichtereinrichtung für einen phasenrichtigen Betrieb des Motors zur Verfügung stellt. Über die Kommunikations-Steuerleitung können beispielsweise PWM-Schaltdaten, Schaltfrequenz, Schaltphasendaten für eine Schaltfrequenzsynchronisation, Läuferdrehwinkel, feldorientierte Regelparameter, wie Feldausrichtung, Vektorregeldaten und Raumzeigerausrichtung von Läufer und/oder Statormagnetfeld, Phasen- und Frequenzinformationen etc. zwischen den Wechselrichtereinheiten bzw. deren Steuermitteln übertragen werden. Des Weiteren können die Versorgungsspannungen parametriert oder Bremswiderstands-Einschaltschwellen synchron eingestellt werden. Die Kommunikations-Steuerleitung kann digital als Feldbus ausgeführt sein, und beispielsweise bei Ausfall der Zwischenkreisspannung der ersten oder zweiten Umrichtereinrichtung oder sonstige Störungen einen Notbetriebsfall signalisieren und alternativ oder auch additiv einen Drehwinkel- und/oder eine Drehgeschwindigkeit oder vergleichbaren Drehwinkel des Motors bestimmen. Auf Basis des Drehwinkelsensors kann beispielsweise die Feldorientierung eingestellt werden. Sind an beiden Umrichtereinrichtungen Drehwinkelsensoren angeschlossen, so können bei Ausfall des Drehwinkelsensors einer ersten Umrichtereinrichtung die Daten des Drehwinkelsensors der ersten Umrichtereinrichtung zur Steuerung der zweiten Umrichtereinrichtung herangezogen werden, wobei die entsprechenden Sensordaten ebenfalls über die Kommunikations-Steuerleitung ausgetauscht werden können. Hierdurch ergibt sich eine Erhöhung der Redundanz bei der Sensorbestimmung der Zustandsgrößen des Drehstrommotors.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann zumindest ein Schaltelement vorgesehen sein, um in der zweiten Betriebsart zumindest eine Kontaktseite der Motorstränge von einer Wechselrichtereinheit zu trennen. Somit können die Halbbrücken einer Wechselrichtereinheit, insbesondere der ersten Wechselrichtereinheit, in der zweiten Betriebsart von der Kontaktseite des Drehstrommotors getrennt werden. Hierdurch haben interne Kurzschlüsse einer Wechselrichtereinheit bzw. der Netz-Wechselrichtereinheit in der zweiten Betriebsart keinen Einfluss. Des Weiteren kann zum Schutz des Motors und der Leistungshalbleiterbauelemente der Wechselrichtereinheiten eine Abkopplung der unbestromten Kontaktseite des Motors von der inaktiven Wechselrichtereinheit erreicht werden, um weiteren Schaden zu vermeiden.
Des Weiteren und unabhängig davon kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung zumindest ein Schaltelement ein Halbleiterschaltelement sein. Dieses Schaltelement kann beispielsweise ein Halbleiter-Sternpunkt-Schaltelement sein. Grundsätzlich können die Schaltelemente beliebig aufgebaut sein und beispielsweise als dreipoliger oder mehrpoliger elektromechanischer Schütz ausgelegt sein. Insbesondere können die Schaltelemente in der zweiten Betriebsart die jeweils inaktive bzw. ausgefallene Wechselrichtereinheit, insbesondere die netzgespeiste Umrichtereinrichtung, von den Motorsträngen trennen und somit zumindest sechs Schaltkontakte aufweisen. Allerdings ergibt sich insbesondere im Falle eines Y-Schaltelements, das die Aufgabe hat, die Motorstränge einer Kontaktseite kurzzuschließen, aber auch für ein Δ-Schaltelement oder ein Freischaltelement bzw. Entkopplungs-Schaltelement die Möglichkeit, dieses als wartungsfreies Halbleiter-Schaltelement auszuführen. So kann das Halbleiter-Schaltelement eine Brückengleichrichtereinheit umfassen, die die Ströme der einzelnen Motorstränge gleichrichten kann, und ein Thyristor-Schaltelement aufweisen, das durch Zünden des Thyristors die gleichgerichtete DC-Spannung zwischen den Motorsträngen einer Kontaktseite kurzschließt, und somit einen Kurzschluss der Motorstränge realisiert. Alternativ kann eine Kombination aus Brückengleichrichter und Transistor-Schaltelement, eine Antiparallelschaltung einer Dioden-Tranistor-Reihenschaltung oder ein Triac-Schaltelement oder vergleichbare Halbleiter-Schaltelemente eingesetzt werden. Durch Einsatz eines Halbleiter-Schaltelements kann eine mechanische Abnutzung des Schaltelements vermieden werden, sowie eine hohe mechanische Belastbarkeit, Schaltfunkenunterdrückung und eine hohe Lebensdauer bei geringer Wartung und Kosten gewährleistet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann die erste Wechselrichtereinheit mit einer an einem Versorgungsnetz angeschlossenen Gleichrichtereinheit mit DC-Zwischenkreis zur Bildung einer ersten Umrichtereinrichtung und bevorzugt wegschaltbar von den Motorsträngen verbunden sein, und die zweite Wechselrichtereinheit im wesentlichen unmittelbar mit der Energiespeichereinrichtung über einen zweiten DC-Zwischenkreis zur Bildung einer zweiten Umrichtereinrichtung verbunden sein. Somit kann die erste Umrichtereinrichtung konventionell aufgebaut sein, und im Wesentlichen unmittelbar mit einem Versorgungsnetz verbunden sein. Die erste Umrichtereinrichtung kann zwischengeschaltet im DC-Zwischenkreis eine weitere DC-Energiespeichereinrichtung umfassen, es ist auch denkbar, dass schaltbar eine Verbindung zwischen den beiden Zwischenkreisen der ersten und zweiten Umrichtereinrichtung hergestellt werden kann, so dass bei Ausfall der Netzversorgung ein Doppelwechselrichterbetrieb durch die Energiespeichervorrichtung aufrecht erhalten werden kann. Durch die Wegschaltbarkeit der ersten Umrichtereinrichtung kann im Notfall der Motor durch die zweite Umrichtereinrichtung betrieben werden, ohne dass elektrische Defekte innerhalb der ersten Umrichtereinrichtung stören. Daneben ist beispielsweise bei gegebener schaltbaren Verbindung von Energiespeichereinrichtung zum Zwischenkreis der ersten und zweiten Wechselrichtereinheit denkbar, dass im Rahmen der zweiten Betriebsart bei Ausfall der zweiten Wechselrichtereinheit der Energiespeicher den Zwischenkreis der ersten Wechselrichtereinheit bestromen kann, so dass ein Notbetrieb mittels der Energiespeichereinrichtung und der ersten Wechselrichtereinheit durchführbar ist. Hierzu kann die zweite Wechselrichtereinheit mittels eines oder mehrerer Schaltelemente abgekoppelt und die Motorstränge zur Bildung einer Y- oder Δ-Schaltung verschaltet werden.
Grundsätzlich kann die Energiespeichereinrichtung als wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher ausgeführt sein, der beispielsweise auf einem elektrochemischen Wirkprinzip (Kondensator, Akkumulator oder ähnliches), magnetischen Wirkprinzip (supraleitende Spulen) oder auf einem mechanischen Wirkprinzip (Schwungradspeicher etc.) beruht. Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann die Energiespeichereinrichtung Kondensatoren, Ultrakondensatoren, wiederaufladbare Batterien oder eine Kombination hiervon aufweisen. Hierzu können günstig verfügbare, hochkapazitive und oft wiederaufladbare Energiespeicher eingesetzt und beispielsweise in Kombination zur Stromversorgung genutzt werden. Derartige elektrochemische Energiespeicher sind mechanisch robust und für hohe Temperaturschwankungen relativ unempfindlich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann eine Nullstromreglereinheit mit beiden Wechselrichtereinheiten verbunden sein, um in der ersten Betriebsart einen Nullstrom durch die Motorstränge zur Aufladung der Energiespeichereinrichtung zu regeln. Somit können mit den beiden Umrichtereinrichtungen eine Regelung der Nullstromkomponente zur Aufladung der Energiespeichereinrichtung und zur Kompensation in der ersten Betriebsart vorgenommen werden. Ein Nullstrom liegt vor, wenn die Summe der drei Motorströme nicht Null ist. Diese Nullstromkomponente ist in der ersten Betriebsart abgesehen vom Aufladefall unerwünscht, da sie zu unerwünschten Verlusten im Motor und den Umrichtereinheiten führt und auch Drehmomentschwankungen verursachen kann. Die Ursache des Nullstroms liegt unter anderem in parasitären Unsymmetrien der beiden Wechselrichter, z.B. in unterschiedlichen Durchlassspannungen, unterschiedlichen Schaltzeiten der Halbleiter oder Messfehler der Stromsensoren, die sich über die Stromregelung auf die Istwerte auswirken. Zur Verringerung des Stromflusses und des Energieverbrauchs kann außerhalb des Aufladefalls der Nullstrom in der ersten Betriebsart minimiert und im Aufladefall zur Aufladung der Energiespeichereinrichtung gezielt eingestellt werden, wobei ein entsprechendes Regelungsverfahren eingesetzt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann die Energiespeichereinrichtung in der zweiten Betriebsart mit den Zwischenkreisen beider Wechselrichtereinheiten mittels eines Umschaltelements verbindbar sein, so dass ein Doppelwechselrichterbetrieb durchführbar ist. Die Kopplung kann durch einen elektromechanischen Schütz oder ein elektronisches Schaltelement hergestellt werden, so dass die DC-Zwischenkreise beider Wechselrichtereinheiten schaltbar verbindbar sind. Fällt beispielsweise die Netzversorgung aus, oder tritt ein Defekt in der Gleichrichtereinheit der ersten Wechselrichtereinrichtung auf, so kann in die zweite Betriebsart umgeschaltet und die Zwischenkreise beider Wechselrichtereinheiten mit Energie der Energiespeichereinrichtung versorgt werden, so dass auch in der zweiten Betriebsart ein Doppelrichterbetrieb aufrecht erhalten und somit die Vorteile des Doppelrichterbetriebs auch im Notbetrieb erhalten bleiben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann die Energiespeichereinrichtung in der zweiten Betriebsart von der zweiten Wechselrichtereinheit abkoppelbar und mit dem Zwischenkreis der ersten Wechselrichtereinheit mittels eines oder mehrerer Umschaltelemente verbindbar sein, so dass eine Bestromung des Motors über die erste Wechselrichtereinheit durchführbar ist. So kann in der zweiten Betriebsart, d.h. einer Motorbestromung alleine durch die Energiespeichereinrichtung eine Ansteuerung des Motors über die erste Wechselrichtereinheit erfolgen, beispielsweise bei einem auftretenden Defekt der zweiten Wechselrichtereinheit. Hierdurch wird die Redundanz und Fehlersicherheit der Schaltung erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann die Energiespeichereinrichtung in der ersten Betriebsart von dem Zwischenkreis der zweiten Wechselrichtereinheit abkoppelbar und der zweite Zwischenkreis mittels eines oder mehrerer Umschaltelemente mit einer durch das Versorgungsnetz bereitgestellten DC-Gleichspannung verbindbar sein. So kann bei einem Defekt oder Ausfall der Energiespeichereinrichtung ein Doppelwechselrichterbetrieb bei alleiniger Netzversorgung gewährleistet werden. Hierdurch wird die Redundanz und Fehlersicherheit der Schaltung erhöht.
Somit kann in der zweiten Betriebsart eine Bestromung des Motors durch die zweite Wechselrichtereinheit, durch die erste Wechselrichtereinheit, oder in einem abgestimmten Doppelwechselrichterbetrieb durch beide Wechselrichtereinheiten erfolgen, wobei eine Ausfallwahrscheinlichkeit bei Defekt eines Leistungshalbleitermoduls stark verringert wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Antriebsschaltung vorgeschlagen, bei dem in einer ersten Normalbetriebsart ein Doppelwechselrichterbetrieb des Motors durch Bestromung mittels des Versorgungsnetzes und der Energiespeichereinrichtung durchgeführt wird, wobei insbesondere bei geringer Motorlast die Energiespeichereinrichtung aufgeladen wird, und in einer zweiten Notbetriebsart, insbesondere Ausfall des Versorgungsnetzes, ein Wechselrichter- oder Doppelwechselrichterbetrieb des Motors bei Vorsorgung alleine durch die Energiespeichereinrichtung oder das Versorgungsnetz durchgeführt wird. Durch dieses Betriebsverfahren kann eine hohe Fehlerrobustheit und Verfügbarkeit des Antriebs, insbesondere eines sicherheitsrelevanten Antriebs wie Pitch-Stellantrieb, Liftantrieb oder Ähnlichem erreicht werden. Die Energiespeichereinrichtung wird im Normalbetrieb genutzt und fortlaufend geladen, so dass ein Ausfall des Energiespeichers sofort erkannt werden kann. Im Notbetrieb können die Vorteile eines Doppelwechselrichterbetriebes erhalten oder ein gewöhnlicher Wechselrichterbetrieb aufrechterhalten werden. In Folge werden eine hohe Redundanz der Ansteuerelektronik, eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit und eine erhöhte Leistungsausbeute erreicht.
Das obige Betriebsverfahren weist eine erste Betriebsart auf, die einem an sich bekannten Doppelumrichterbetrieb entspricht und dessen Vorteile aufweist, wobei eine erste Umrichterseite durch ein Versorgungsnetz und eine zweite Umrichterseite mit der DC-Energiespeichereinrichtung versorgt wird. Bei Ausfall einer Umrichtereinrichtung, beispielsweise bei Netzausfall der ersten Umrichtereinrichtung, bei Ausfall der Gleichrichtereinheit, der ersten Wechselrichtereinheit oder des ersten DC-Zwischenkreises kann mittels eines Schaltelements oder durch Kurzschlussschaltung der gegenüberliegenden Wechselrichtereinheit in die zweite Betriebsart umgeschaltet werden, bei dem vorteilhafterweise die defekte Wechselrichtereinheit bzw. Umrichtereinrichtung abgekoppelt bzw. kurzgeschlossen wird, und mit der verbleibenden intakten Wechselrichtereinheit bzw. Umrichtereinrichtung ein Notbetrieb unter Versorgung durch die Energiespeichereinrichtung durchführbar ist. Die zweite Betriebsart kann grundsätzlich eine Dreiecksschaltung oder eine Sternschaltung des Motors realisieren, wobei zwischen Stern- und Dreiecksschaltung beispielsweise in einer Anlaufphase umgeschaltet werden kann, so dass bei verminderter Drehzahl oder vermindertem Drehmoment ein Notbetrieb aufrechterhalten werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens kann eine Umschaltung zwischen erster und zweiter Betriebsart in Abhängigkeit eines Leistungsverlustes des Drehstrommotors, einem Ausfall oder Verringern der DC-Zwischenkreisspannung der ersten Wechselrichtereinheit (16a) oder bei nicht abgestimmten Wechselrichterausgangsspannungen erfolgen, wobei bevorzugt in der ersten Betriebsart bei Überschreiten eines vorgebbaren Leistungswertes des Motors der zusätzliche Energiebedarf aus dem Energiespeichereinrichtung zur Verfügung gestellt wird und/oder in der zweiten Betriebsart die Energiespeichereinrichtung mit dem ersten, dem zweiten oder beiden Zwischenkreisen gekoppelt wird, um einen Wechselrichter- oder einen Doppelwechselrichterbetrieb zu ermöglichen. Zur Detektion eines Notbetriebsfalls kann eine indirekte Bestimmung der Antriebsleistung oder der Drehzahl des Drehstrommotors herangezogen werden, jedoch können daneben elektrische Größen, beispielsweise durch Überwachung der DC-Zwischenkreisspannung bevorzugt der ersten Umrichtereinrichtung, der synchronisierten komplementären PWM-Spannungen der beiden Umrichtereinrichtungen oder Überwachung der Netzspannung des Versorgungsnetzes betrachtet werden, wobei im Falle eines Abweichens von einem Sollwert ein Notbetriebsfall detektiert werden kann, und die zweite Betriebsart durch Abkoppeln der ersten Umrichtereinrichtung und Verschalten der Motorstränge in eine Y- oder Δ-Schaltung eingeleitet werden. Somit kann eine automatisierte Umschaltung zwischen erster und zweiter Betriebsart werden, wobei eine Störungsmeldung bei Umschalten in die zweite Betriebsart an eine übergeordnete Leitstelle abgesetzt werden kann. Im Rahmen der ersten Betriebsart kann Antriebsenergie, die über einem vordefinierbaren Leistungswert des Motors liegt, aus der Energiespeichereinrichtung abgerufen werden, so dass Leistungsspitzen ohne Rückwirkung auf das Versorgungsnetz durch die Energiespeichereinrichtung abgefedert werden können. In der zweiten Betriebsart kann durch Verbindung der DC-Zwischenkreise beider Wechselrichtereinheiten, beispielsweise durch einen schaltbaren Schütz oder ähnliches, ein Doppelwechselrichterbetrieb mit allen Vorteilen aufrecht erhalten werden, bei dem die Antriebsenergie durch die Energiespeichereinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Dies bietet sich insbesondere bei Ausfall der Netzversorgung an.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine Umrichterantriebsschaltung des Stands der Technik;
2 zwei Varianten redundant ausgelegter Antriebe des Stands der Technik;
3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsschaltung;
4 eine zweite schematisch dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsschaltung;
5 ein schematischer Zusammenhang im dq-Koordinatensystem der beidseitigen Stromversorgung eines Motors;
6 Stromraumzeigerdarstellung verschiedener Betriebsarten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsschaltung;
8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsschaltung;
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Im Nachfolgenden soll als erste Betriebsart eine „Normalbetriebsart“ und als zweite Betriebsart eine „Notbetriebsart“ verstanden werden
Die 1 zeigt eine Umrichtereinrichtung 10 des Stands der Technik zur Bestromung eines Antrieb-Drehstrommotors 38, dessen Motorstränge 30 in Sternschaltung geschaltet sind. Die Umrichtereinrichtung 10 ist an ein Versorgungsnetz 12 (Power Grid) dreiphasig angeschlossen, wobei die drei Netzphasen mittels einer in der Umrichtereinrichtung 10 umfassten Gleichrichtereinheit 14 mittels Brückengleichrichterdioden 22 in eine Gleichspannung umgewandelt wird, die mittels eines DC-Zwischenkreises 18 eine Wechselrichtereinheit 16 mit Gleichspannung versorgt. Zur Stabilisierung der DC-Gleichspannung können eine oder mehrere Zwischenkreiskapazitäten 24 im Zwischenkreis 18 angeordnet sein, die eine DC-Energie speichern bzw. regenerative Energie des Motors aufnehmen können und die Oberwelligkeit der DC-Gleichspannung glätten. Im Falle eines Stromausfalls des Versorgungsnetzes 12 kann eine DC-Energiespeichereinrichtung 110 vorgesehen sein, wobei Schaltschütze K₁, K₂ 40 als Notbetrieb-Umschaltelemente 102 die Netzgleichspannung ab- und die Notbetriebsgleichschaltung zuschalten können. Die Wechselrichtereinheit 16 umfasst drei Leistungshalbleiterschaltbrücken, in denen jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltelemente 26, beispielsweise IGBT, MOSFET oder IGCT-Transistoren zur Bildung einer pulsweitenmodulierten Ausgangsspannung (PWM-Spannung) angeordnet sind. Die Leistungshalbleiterschaltelemente 26 speisen die DC-Brückengleichrichterspannung als PWM-Spannung in die Motorstränge des Drehstrommotors 20 ein. Als Freilauf sind den Wechselrichter-Schaltelementen 26 Dioden 28 parallel geschaltet, so dass eine erhöhte Lebensdauer und ein Schutz vor induktiven Spannungsspitzen erreicht werden kann. Eine Antriebssteuerlogik (nicht dargestellt) betätigt die sechs Wechselrichter-Schaltelemente 26 derart, dass eine gewünschte Nenndrehzahl bzw. ein gewünschtes Nenndrehmoment des Drehstrommotors 20 durch Kommutierung der Strangströme erreicht werden kann. Die Antriebssteuerung kann Strom-/Spannungssensoren und bzw. oder mechanische Drehzahl-, Drehwinkel- und Drehmomentsensoren zur Erzeugung bedarfsgerechter PWM-Signale umfassen, um ein gewünschtes Antriebsverhalten des Drehstrommotors 20 bereitzustellen. Der Drehstrommotor 20 in Y-Schaltung verfügt über eine einzelne Kontaktseite, an der die drei Motorstränge 30 einseitig von außen kontaktierbar sind. Der Ausfall des Versorgungsnetzes 12, der Brückengleichrichtereinheit 14, ein Kurzschluss der Zwischenkreiskapazität 24 des Zwischenkreises 18 oder der Ausfall eines Wechselrichter-Schaltelementes 26 der Wechselrichtereinheit 16 führt zu einem Gesamtausfall des Antriebssystems, wogegen bei Ausfall des Drehstromnetzes 12 oder der Gleichrichtereinheit 14 ein kurzfristiger Betrieb durch die zuschaltbare Energiespeichereinrichtung 110 aufrecht erhalten werden kann. Da Drehstrommotoren 20 in der Regel robust ausgelegt sind, ist die Ausfallwahrscheinlichkeit der Antriebsschaltung 10 wesentlich höher als ein mechanischer Ausfall des Motors 38. Insbesondere in sicherheitsrelevanten Antriebssträngen wird daher eine Redundanz vorgesehen, wie sie in den 2 beispielhaft dargestellt sind.
2a zeigt ein vollständig redundant aufgebautes Motorantriebssystem 34, das zwei elektrisch getrennte Antriebseinheiten aufweist, wobei jede Antriebseinheit aus einem Drehstrommotor 38 und einer Umrichtereinrichtung 13 besteht. Die Umrichtereinrichtung 13 umfasst wiederum eine Gleichrichtereinheit 14 und eine Wechselrichtereinheit 16. Ausgehend vom Versorgungsnetz 12 sind die beiden Antriebseinheiten elektrisch parallel geschaltet, wobei die Motoren 38 über eine mechanische Kopplung 42 mechanisch miteinander verkoppelt sind und gemeinsam eine mechanische Last antreiben. Bei Ausfall einer Antriebseinheit kann die Antriebsaufgabe durch den verbleibenden zweiten Motorstrang mit 50% Antriebsleistung erfüllt werden. Die Kosten für eine solche Antriebsstrangredundanz sind doppelt so hoch wie die Kosten einer einzelnen Antriebseinheiten, so dass ein solches redundant ausgelegtes System nur in seltenen Fällen eingesetzt wird, bei dem eine hohe Verfügbarkeit gefordert wird.
Alternativ hierzu zeigt 2b ein weiteres redundantes Antriebssystem 36, in dem lediglich die Antriebsschaltung redundant ausgelegt ist, und die beiden Teilantriebsschaltungen an einen einzigen Drehstrommotor 38 angeschlossen ist. Jede Teilantriebsschaltung umfasst eine Umrichtereinrichtung 13, wobei die beiden Umrichtereinrichtungen 13 zwischen Versorgungsnetz 12 und Drehstrommotor 38 parallel geschaltet, und über jeweils zwei zugeordnete Schaltelemente 40 K11, K12 bzw. K21, K22 an das Versorgungsnetz 12 und den Drehstrommotor 38 ankoppelbar sind. Bei Ausfall einer Umrichtereinrichtung 13 kann diese vom Versorgungsnetz 12 und Drehstrommotor 38 abgekoppelt, und die zweite Umrichtereinrichtung 13 angekoppelt werden, um einen störungsfreien redundanten Betrieb zu ermöglichen. Hierbei sind die Kosten für das elektronische System verdoppelt, jedoch können die mechanischen Komponenten des Drehstrommotors 38 nur einfach ausgelegt werden, gegenüber den in 2a dargestellten vollständig redundanten Antriebssystemen. In beiden Fällen kann lediglich ein Antriebsverhalten wie in dem in 1 dargestellten Antriebssystem erreicht werden, so dass grundsätzlich nur ein einfacher Umrichterbetrieb ermöglicht wird, und eine Redundanz lediglich für einen Notbetrieb bereitgehalten wird.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsschaltung. Die Motoransteuerschaltung 100 umfasst eine erste Umrichtereinrichtung 13a, die an ein Versorgungsnetz 12 angeschlossen ist. Die Umrichtereinrichtung 13a umfasst eine Gleichrichtereinheit 14, einen DC-Zwischenkreis 18a und eine Wechselrichtereinheit 16a. Die Gleichrichtereinheit 14 besteht im wesentlichen aus einem Brückengleichrichter, in dem einzelne Gleichrichterdioden 24 den Versorgungsdrehstrom des Versorgungsnetzes 12 in eine Gleichspannung für den DC-Zwischenkreis 18a umwandelt. Das Gleichspannungspotential des DC-Zwischenkreises 18a wird mittels einer Zwischenkreiskapazität 24 geglättet, die die Welligkeit der DC-Zwischenkreisspannung U_1max minimiert. Die Wechselrichtereinheit 16a umfasst sechs Wechselrichterschaltelemente 26 in drei Halbbrücken, beispielsweise IGBTs, die jede mit einer Freilaufdiode 28 zum Schutz vor Überspannung parallel geschaltet sind. Die Wechselrichtereinheit 16 dient dazu, aus der DC-Zwischenkreisspannung mittels eines PWM-Schaltverfahrens eine Drehspannung mit einstellbarer Amplitude, Frequenz und Phasenlage erzeugen zu können. Nicht dargestellt ist eine übergeordnete Regelungseinrichtung, die die PW-Modulation der Wechselrichtereinheit 16 steuert. Der Ausgang der Wechselrichtereinheit 16a ist an eine erste Kontaktseite 76a der drei Motorsträngen 30 des Drehstrommotors 38 angeschlossen. Die Motorstränge 30 der gegenüberliegenden Kontaktseite 76b sind an eine komplementäre Wechselrichtereinheit 16b einer zweiten Umrichtereinrichtung 13b angeschlossen, so dass ein Doppelwechselbetrieb des Motors 38 möglich ist. Die für den Betrieb der Wechselrichtereinheit 16b erforderliche DC-Gleichspannung wird von einer Energiespeichereinrichtung 110 bereit gestellt, die den DC-Zwischenkreis 18b der Umrichtereinrichtung 13b versorgt. Die Energiespeichereinrichtung 110 kann ein elektrochemischer Energiespeicher, beispielsweise Akkumulatoranordnung (Pb-Akku, NiMh-Akku, Lithiuim-Ionen-Akku oder ähnliches), Kondensatoranordnung, oder eine beliebige anderweitige wiederaufladbare DC-Energiespeichereinrichtung, beispielsweise mechanisches Schwungrad, Druckluftspeicher oder ähnliches sein. Zwischen der ersten Umrichtereinrichtung 13a und dem Motor 38 ist ein Notbetriebsumschaltelement 102 in Form eines Y-Schaltelementes 44 K₃ zwischengeschaltet. Im Normalbetrieb werden die Motorstränge 30 über die beiden Umrichtereinrichtungen 13a, 13b bestromt. Bei Ausfall der Netzversorgung 12 oder einem Defekt innerhalb der Umrichtereinrichtung 13a kann das Notbetriebumschaltelement 102 K₃ umschalten und die erste Kontaktseite 76a der Motorstränge 30 in Sternschaltung miteinander verbinden. In diesem Fall kann zumindest kurzfristig im Notbetrieb der Motor mittels der Energiespeichereinrichtung und der zweiten Umrichtereinrichtung 13b bestromt werden. Im Normalbetrieb kann über eine übergeordnete Regelungseinrichtung oder die jeweiligen Regler der Umrichtereinrichtungen 13a, 13b eine abgestimmte PWM-Ansteuerung der Wechselrichterschaltelemente 26 vorgenommen werden, so dass zum einen eine Drehzahl- und Drehmomentregelung des Motors 38, zum anderen eine erforderliche Aufladung bzw. Kompensationsladung der Energiespeichereinrichtung 110 möglich ist. Im Bremsbetrieb des Motors 38 kann generatorische Energie durch die zweite Wechselrichtereinheit 16b in die Energiespeichereinrichtung 110 geleitet werden. Bei schnellen Lastwechseln oder hohen Anfahrströmen kann das Versorgungsnetz 12 dadurch entlastet werden, dass kurzfristig Energie aus der Energiespeichervorrichtung 110 bereitgestellt bzw. aufgenommen werden kann.
4 zeigt schematisch eine Darstellung einer notbetriebsfähigen Antriebschaltung 110. Die Grundstruktur der Darstellung entspricht der Antriebsschaltung der 3, so umfasst die Antriebsschaltung 100 ein Versorgungsnetz 12, eine erste Umrichtereinrichtung 13a und eine zweite Umrichtereinrichtung 13b, die jeweils an die beiden Kontaktseiten 76a und 76b eines Drehstrommotors 38 angeschlossen sind. Die Umrichtereinrichtung 13a umfasst eine Gleichrichtereinheit 14 und eine Wechselrichtereinheit 16a. Die zweite Umrichtereinrichtung 13b umfasst eine Wechselrichtereinheit 16b, wobei der DC-Zwischenkreis an eine Energiespeichereinrichtung 110, beispielsweise eine Akkumulator- oder eine Kondensatorenanordnungen angeschlossen ist. Daneben sind beispielsweise regenerative Wasserstoffzellen, elektromechanische Schwungräder, die mechanische Energie speichern und elektrische Energie abgeben können oder ähnliche elektrische Energiespeichervorrichtungen denkbar. Der Drehstrommotor 38 umfasst separat kontaktierbare Motorstränge 30, wobei im Falle von Synchronmotoren auch die DCgespeisten Läuferwicklungen über einen Gleichrichter an eine externe Stromversorgung angeschlossen sein können. Die verketteten Strangspannungen U_A, U_B und U_C können im komplexen dq-Koordinatensystem als rotierender Spannungs-U bzw. Stromzeiger I dargestellt werden. Somit kann die Antriebsschaltung 100 der 4 einpolig dargestellt werden, da die drei Drehstromphasen U_A, U_B und U_C in einer komplexen Ebene zur Bildung eines rotierenden Spannungs- und Stromzeigers darstellbar sind, und somit eine einpolige komplexe Darstellung der Antriebsschaltung 100 ermöglicht.
In 5 ist schematisch in der einpoligen komplexen Darstellung bezüglich der beiden speisenden Spannungs- und Stromzeiger ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen notbetriebsfähigen Antriebsschaltung dargestellt. Im dq-Koordinatensystem, d.h. einem an der Richtung des Motorstromzeigers als d-Achse ausgerichteten Koordinatensystem, so dass die d-Achse der Motorstromzeigerrichtung entspricht und die q-Achse rechtwinklig hierzu angeordnet ist, ist das in 4 dargestellte Ersatzschaltbild zu interpretieren. Die beiden Umrichtereinrichtungen sind durch komplexe Spannungsquellen U₁ bzw. U₂ dargestellt. Im Doppelumrichterbetrieb wird der Motor 38 mit den von außen durch die Kontaktseiten 76a, 76b zugänglichen Motorsträngen 30 durch die beiden beliebig einstellbaren, in der komplexen dq-Ebene rotierenden Spannungszeigern U₁ der ersten Umrichtereinrichtung 13a und U₂ der zweiten Umrichtereinrichtung 13b versorgt.
Im Verhältnis und Ausrichtung der beiden Spannungszeiger U₁ und U₂ ergibt sich eine komplexe Motorspannung U_M und ein Motorstrom I_M aufgrund des ohmschen und induktiven Verhaltens des Motors 38.
In der ersten Betriebsart kann jeder der beiden Wechselrichter 16a, 16b zur Ausgangsseite Spannungsraumzeiger aufschalten, die innerhalb eines Sechsecks mit der Seitenlänge 1/√3U_max bis 2/3U_max der maximalen Zwischenkreisspannung U_max der ersten bzw. zweiten Wechselrichtereinheit 16a, 16b liegen, da andernfalls ungewollte Oberwellen in den Motorströmen auftreten, die Drehmomentschwankungen bewirken. Im folgenden wird in der 6 ein komplexes Strom-/Spannungsraumzeigerdiagramm betrachtet, dass eine d- und eine q- Achse aufweist, wobei die d-Achse der Ausrichtung des Stromraumzeigers entspricht, und nicht mit einem läuferfesten Raumzeigerdiagramm zu verwechseln ist. Bei einer Beschränkung auf den Innenkreis, d.h. Sechsecks mit der Seitenlänge 1/√3U_max , wobei der Stromraumzeiger in Richtung der d-Achse des Motors 38 ausgerichtet ist und der Spannungsraumzeiger in eine d- und q-Komponente aufteilbar ist, kann in einem Regelfall, in dem der Stromraumzeiger alleine anhand des gewünschten Motorverhaltens einstellbar ist (Regelungspriorität des Motorverhaltens) und der Ladezustand der Energiespeichereinrichtung 110 nicht berücksichtigt werden muss, der Motor 38 optimiert betrieben werden. In Abhängigkeit des eingestellten Drehmomentes ist allerdings nur eine begrenzte Leistungsübertragung zur Energiespeichereinrichtung 110 möglich, da der zur Leistungsübertragung notwendige Anteil des Stromraumzeigers begrenzt ist. Bei einer Regelungspriorität des Motorverhaltens und im Aufladefall der Energiespeichereinrichtung 110 können die beiden Wechselrichtereinheiten 16 unterhalb ihrer Aussteuergrenzen derart geregelt werden, dass sich eine Ladeleistung der Energiespeichereinrichtung 110 mit P_bat = 3/2U_2d·│I_M│ sowie die Spannungen U_Md = U_1d – U_2d für die d-Komponente und
für die q-Komponente als vorteilhaft erweisen. U_M und I_M bezeichnen den Motor-Spannungsraumzeiger und -Stromzeiger. Für die Leistungsübertragung ist lediglich die d-Komponente des Spannungsraumzeigers U_2d der zweiten Wechselrichtereinheit 16b relevant, die für eine motorregelungsoptimierte Ansteuerung den folgenden Bedingungen genügen sollte:
|U₁| ≤ 1/√3U_1max , |U₂| ≤ 1/√3U_2max und U_M = U₁ – U₂. Für eine Ladespannung U_2d ergibt sich dann
sowie U_1d = U_2d + U_Md. Die für die Blindleistung relevanten q-Komponenten können gemäß dem oben angegebenen Verhältnis der Zwischenkreisspannungen aufgeteilt werden. Des weiteren kann in der ersten Betriebsart die beiden Wechselrichtereinheiten 16 an ihren Aussteuergrenzen U_max derart geregelt werden, dass sich
für die d-Komponente und
für die q-Komponente ergeben.
Falls die Aussteuergrenzen der maximalen Zwischenkreisspannungen erreicht worden sind, kann der Leistungsfluss zur Energiespeichervorrichtung 110 nicht mehr frei gewählt werden, so dass er mit Rücksicht auf die Begrenzung zu wählen ist. Somit besteht die Möglichkeit, die d-Komponenten analog zu den q-Komponenten und ausgerichtet an dem gewünschten Motorspannungsraumzeiger zu wählen.
6a zeigt den Fall eines Betriebes mittels zweier Umrichtereinrichtungen 13, wobei die erste netzseitig versorgte Umrichtereinrichtung 13a einen rotierenden Spannungszeiger U₁ und die zweite Energiespeicher versorgte Umrichtereinrichtung 13b einen rotierenden Spannungszeiger der Amplitude U₂ erzeugen kann. Die resultierende Motorspannung ergibt sich nach 5 als Vektor-Differenz U_M = U₁ – U₂. Die beiden DC-Zwischenkreise 18 ermöglichen die maximale Erzeugung einer Wechselrichterspannung U_1max bzw. U_2max. Betrachtet man einen für den Betrieb des Motors 38 optimierten Motorstrom I_m, so kann durch Wahl von U₁ und U₂ die Motorspannung U_M vorgegeben werden, wobei Phasenlage und Amplitude der zweiten Spannung U₂ Aussage darüber gibt, ob Energie aus der Energiespeichervorrichtung 110 entzogen oder Energie in eingelagert wird. Durch die gezielte Abstimmung des Motorstroms bzw. der beiden Doppelrichterspannung U₁ und U₂ kann ein optimiert geregelte Einstellung von Drehzahl sowie Drehmoment des Motors 38 erreicht und eine Aufladung der Energiespeichervorrichtung 110 gesteuert werden. Im Fall der 6a, in dem der Spannungsraumzeiger U₂ eine positive d-Komponente bezüglich des Motorstroms I_M beinhaltet, wird die Energiespeichervorrichtung 110 geladen.
6b zeigt eine weitere Konstellation der Spannungsraumzeiger, wobei die d-Komponente des Spannungsraumzeigers U₂ eine negative Komponente bezüglich des Motorstroms I_M aufweist. Somit wird Energie aus der Energiespeichervorrichtung 110 entnommen, und die Energiespeichervorrichtung 110 treibt aktiv den Motor 38 an. Sind die beiden Maximalspannungen U_1max sowie U_2max in etwa gleich groß, so kann eine um 3 höhere Motorleistung als beim Einzel-Wechselrichterbetrieb erreicht werden.
Durch die unabhängige Einstellung der beiden Spannungszeiger in der ersten Beriebsart, insbesondere bei Regelungsprioritätsverzicht des Motorsverhaltens, können die beiden Wechselrichtereinheiten 16 ihre resultierenden Stromraumzeiger durch Beeinflussung der Spannungsamplituden, PWM-Signalfolgen, Phasenversätze etc. derart regeln, dass:

– durch Erhöhung des Leistungsflusses der ersten Wechselrichtereinheit kann eine erhöhte Aufladeleistung der Energiespeichereinrichtung bereitgestellt wird; und/oder
– eine Feldstärkung oder -schwächung des Magnetfeldes des Motors erreicht wird, so dass eine Ladeleistungsübertragung und gleichzeitige Drehzahlregelung erfolgt; und/oder
– durch Einkopplung einer Stromnullkomponente eine Ladeleistungsübertragung durch die Motorstränge durchgeführt wird. In diesem Regelfall kann der Stromraumzeiger verändert werden und es wird auf eine optimierte Motorregelung verzichtet. Somit kann das Drehmoment des Motors verändert werden, so dass beispielsweise durch Erhöhung des Drehmoments mehr Leistung zur Energiespeichereinrichtung übertragen werden kann. Allerdings kann hierbei die Drehzahl des Motors nicht mehr geregelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann mittels einer Feldschwächung oder -stärkung die Stromzeigerlänge verändert und somit der Wirkungsgrad der Maschine beeinflusst werden. Eine Drehzahlregelung ist weiterhin möglich. Zusätzlich oder alternativ kann eine Nullstromkomponente oder ein überlagerter Gleichstrom in den Strom eingekoppelt werden, der zusätzlich eine Leistungsübertragung ermöglicht, allerdings ein pulsierendes Drehmoment hervorrufen kann. Gängige Regler können die vorgenannten Regelbedingungen erfüllen und entsprechend angepasst werden.

7 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer notbetriebsfähigen Antriebsschaltung 100, bei der ein Stern-Notbetrieb (Y-Notbetrieb) des Motors 38 möglich ist. Eine erste Umrichtereinrichtung 13a ist schaltbar über ein Entkopplungsschaltelement 40, 48 K₁ beispielsweise einen elektromechanischen Schütz, an ein Versorgungsnetz 12 angeschlossen. Die Umrichtereinrichtung 13a umfasst eine Gleichrichtereinheit 14 sowie eine Wechselrichtereinheit 16a. Die Wechselrichtereinheit 16a ist an eine erste Kontaktseite 76a der Motorstränge 30 des Drehstrommotors 38 angeschlossen. An die gegenüberliegende zweite Kontaktseite 76b ist eine weitere Umrichtereinrichtung 13b mit Wechselrichtereinheit 16b angeschlossen. Deren DC-Zwischenkreis wird von einer Energiespeichereinrichtung 110 mit Spannung versorgt, die ebenfalls über ein Entkopplungsschaltelement 48 K₂ von der Umrichtereinrichtung 13b abkoppelbar ist. Durch die beiden Entkopplungsschaltelemente 48 können die beiden Umrichtereinrichtungen 13 von ihren spannungsversorgenden Netzen (Versorgungsnetz 12 bzw. Energiespeichereinrichtung 110) im Fehlerfall abgekoppelt werden. Hierdurch besteht die Möglichkeit eines einseitigen Betriebs des Motors 38 mit der noch intakten Umrichtereinrichtung 13. Die beiden Umrichtereinrichtungen 13 sind über eine Kommunikationssteuerleitung 60 miteinander verbunden, über die Synchronisationsinformationen, wie beispielsweise Phasenwinkel, Zwischenkreisspannungshöhe, Lage und Amplitude der d- bzw. q-Komponenten der Spannung und/oder des Motorstroms und ähnliche Informationen ausgetauscht werden können. Eine nicht dargestellte Regeleinrichtung kann eine oder beide Umrichtereinrichtungen 13a, 13b in Abstimmung zueinander steuern. Fällt eine der beiden Umrichtereinrichtungen aus, so kann mittels einer Notbetriebsteuerleitung 58a bzw. 58b der beiden Umrichtereinrichtungen 13a, 13b die jeweilige gegenüberliegende Kontaktseite 76 der Motorstränge 30 über Y-Schaltelemente 40, 44 kurzgeschlossen werden. In diesem Fall sind die Schaltelemente 40 als Halbleiterschaltelemente 56 ausgeführt, die jeweils eine Thyristor- sowie eine Brückengleichrichter-Schaltung umfassen, um den gleichgerichteten Sternpunkt der jeweiligen Kontaktseiten 76 kurzschließen zu können. Fällt beispielsweise die Energiespeichereinrichtung 110 aus, so kann ein normaler Umrichterbetrieb mit Hilfe des Versorgungsnetzes 12 aufrechterhalten werden. In diesem Fall löst das Entkopplungsschaltelement K₂ 48 aus und die Kontaktseite 76b wird über das Schaltelement 44a kurzgeschlossen.. Fällt hingegen die Netzversorgung 12 aus, so löst das Entkopplungselement K₁ 48 aus und die Kontaktseite 76a wird über das Y-Schaltelement 44b kurzgeschlossen. Somit kann zumindest kurzfristig ein Notbetrieb mit Hilfe der in der Energiespeichereinrichtung 110 gespeicherten elektrischen Energie aufrechterhalten werden.
Schließlich zeigt 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer notbetriebsfähigen Antriebsschaltung 100, die im Notbetrieb als Stern-Dreieck-Schaltung 54 ausgelegt ist. Grundsätzlich basiert die in 8 dargestellte Schaltung auf einer Kombination der in 3 und 7 ausgeführten Schaltungen, so können die beiden Kontaktseiten 76a, 76b des Motors 38 über Y-Schaltelemente 44a, 44b zum Notbetrieb als Y-Schaltung kurzgeschlossen werden. Des Weiteren kann über das Dreieck-Umschaltelement K₅ 46 die Motorstränge 30 in Dreiecksschaltung verkoppelt werden, um einseitig über einen der beiden Umrichtereinrichtungen 13a, 13b bestromt zu werden. Die beiden Umrichtereinrichtungen 13a, 13b können über Entkopplungsschaltelemente K₁, K₂ 48 jeweils von den Kontaktseiten der Motorstränge 30 abgetrennt werden. Das Versorgungsnetz 12 ist mittelbar über die Entkopplungsschaltelemente K₈ bzw. K₉ 102 an die beiden Umrichtereinrichtungen 13a, 13b angeschlossen. Beide Umrichtereinrichtungen 13a, 13b umfassen Gleichrichtereinheiten 14a, 4b sowie Zwischenkreiskapazitäten 24. Eine Energiespeichereinrichtung 110 ist physikalisch in der zweiten Umrichtereinrichtung 13b angeordnet und kann über Notbetriebumschaltelemente 102 K₆ bzw. K₇ wahlweise mit den DC-Zwischenkreisen der ersten bzw. zweiten Umrichtereinrichtung 13a, 13b geschaltet werden.
Mittels der in 8 dargestellten flexiblen Topologie kann ein netzgestützter Doppelumrichterbetrieb durch Netzversorgung der beiden Umrichtereinrichtungen 13a, 13b gewährleistet werden. Hierzu sind Umschaltelement K₆ und K₇ zu öffnen, so dass die Energiespeichereinrichtung abgekoppelt ist, und die beiden Umschaltelemente K₈, K₉ zu schließen, so dass beide Umrichtereinrichtungen 13a, 13b mit Netzspannung versorgt werden. Ein erfindungsgemäßer Umrichterbetrieb, in dem eine Umrichtereinrichtung 13a netzgespeist, die zweite Umrichtereinrichtung 13b batteriegespeist bzw. umgekehrt betrieben werden kann, sowie ein reiner Energiespeicher gestützter Umrichter- und Einzelumrichterbetrieb kann initiiert werden in dem einer oder beide Umschaltelemente K₈, K₉ 102 geöffnet werden und einer bzw. beide DC-Zwischenkreise 18a bzw. 18b mit der Energiespeichereinrichtung 110 durch Schließen eines der beide Umschaltelemente K₆ oder K₇ verbunden wird, so dass den bzw. die Wechselrichtereinheiten 16a bzw. 16b die Motorstränge 30 bestromt werden können. Dabei ist sowohl ein Sternbetrieb, als auch ein Dreiecksbetrieb bzw. beim Anfahren ein anfänglicher Sternbetrieb mit anschließender Dreiecks-Umschaltung durch jeweilige Aktivierung der Schaltelemente 44, 48 möglich. Somit lassen sich eine Vielzahl von Schaltvarianten und Betriebsarten durch die in 8 dargestellte Schalttopologie abdecken, wobei eine nicht dargestellte übergeordnete Steuereinrichtung, die beispielsweise ein oder beide Regler der Umrichtereinrichtung 16 sein können, die Abstimmung zwischen den Schaltvorgängen der beiden Wechselrichtereinheiten 16 koordinieren kann.
Die erfindungsgemäße Antriebsschaltung geht zurück auf eine Doppelumrichterschaltung, bei der auf der Seite der zweiten Wechselrichtereinheit eine Energiespeichereinrichtung angeschlossen ist, um im Notbetrieb bei Ausfall des netzgespeisten Umrichterzweiges eine Stern- oder Dreieckschaltung mit der zweiten Umrichtereinrichtung zu gewährleisten. Die Energiespeichereinrichtung kann im Normalbetrieb durch die Motorströme hindurch von der ersten Wechselrichtereinrichtung geladen werden, generatorische Energie des Motors aufnehmen und Leistungsspitzen glätten. Im Notbetrieb kann der Motor sowohl in einer Sternschaltung, bei der ein volles Drehmoment bei reduzierter Maximaldrehzahl möglich ist, als auch in einer Dreieckschaltung, die eine Maximaldrehzahl bei reduziertem Drehmoment ermöglicht, betrieben werden. Für die Dreieckschaltung ist lediglich ein einziges Schaltelement für den Notbetrieb notwendig. Als Drehstrommotor kann ein Standardmotor verwendet werden, bei dem alle Motorstrangenden herausgeführt sind, wobei dies bei Asynchronmotoren einen Standard darstellt und bei Synchronmaschinen grundsätzlich möglich ist. Da zwei Umrichtereinrichtungen verwendet werden können deren Drehgeber oder Drehgeberauswertungen für Redundanzzwecke genutzt werden. Eine alternative Speisung des Zwischenkreises der ersten Umrichtereinrichtung über einen Notenergiespeicher ist möglich. Die Zwischenkreise der beiden Umrichtereinrichtungen können miteinander gekoppelt sein, um bei Ausfall der Netz-Gleichrichtereinheit einen durchgängigen Doppelumrichterbetrieb weiterhin zu ermöglichen. Statt im Doppelumrichternormalbetrieb kann im Notbetrieb alternierend für eine gewisse Zeitspanne eine Umrichtereinrichtung und für eine andere Zeitspanne eine zweite Umrichtereinrichtung in Stern- oder Dreieckschaltung den Motor betreiben, wodurch die Lebensdauer der Antriebsschaltung verlängert werden kann. In bestimmten Phasen, in denen hohe Leistungen zur Verfügung gestellt werden müssen, kann in den Doppelumrichterbetrieb umgeschaltet werden, und im Niederlastfall der Motor in einem Einrichterbetrieb betrieben werden. Dies ist insbesondere bei Windkraftanlagen von Vorteil, da im normalen Pitchbetrieb typischerweise keine hohen Drehzahlen und Drehleistungen notwendig sind, so dass tage- oder wochenweise die Umrichtereinrichtungen alternierend oder einseitig betrieben werden können. Durch eine Datenkommunikation der beiden Umrichtereinrichtungen kann eine Minimierungsregelung oder Laderegelung bezüglich der Nullstromanteile ermöglicht werden. Werden sowohl Schaltelemente für die Stern- als auch für die Dreiecksschaltung vorgesehen, so kann im Notbetrieb zwischen diesen beiden Grundschaltungsarten umgeschaltet werden. Es genügt selbst in einer Notbetriebs-Sternschaltung ein einziges Schaltelement, falls sicher gestellt werden kann, dass die Energiespeicher-versorgte Umrichtereinrichtung weiterhin betreibbar bleiben wird, insbesondere wenn sie robuster ausgelegt, beziehungsweise redundant eingerichtet ist. Mittels einer Kommunikations-Steuerleitung zwischen den beiden Umrichtereinrichtungen können Fehlermeldungen, Laderegelinformationen, Nullstromregelinformationen und Synchronisierungsinformationen ausgetauscht werden, wodurch ein effizienter Doppelumrichterbetrieb ermöglicht werden kann.

Claims

Notbetriebsfähige Antriebsschaltung (50, 54, 100) für einen Drehstrommotor (38) mit beidseitig kontaktierbaren Motorsträngen (30), umfassend zwei Wechselrichtereinheiten (16a, 16b), die jeweils mit einer Kontaktseite (76a, 76b) der Motorstränge (30) verbunden sind, wobei jede Wechselrichtereinheit (16a, 16b) in einer separaten Umrichtereinrichtung (13a, 13b) mit Zwischenkreis (18a, 18b) umfasst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wechselrichtereinheit (16a) durch einen von einem Versorgungsnetz (12) gespeisten DC-Zwischenkreis (18a) versorgbar ist, und die zweite Wechselrichtereinheit (16b) durch eine DC-Energiespeichereinrichtung (110) versorgbar ist, so dass der Motor (38) in einer ersten Normalbetriebsart durch verkettete Strangspannungen der Wechselrichtereinheiten (16a, 16b) in einem Doppelwechselrichterbetrieb durch das Versorgungsnetz (12) und die Energiespeichereinrichtung (110) bestrombar ist, und parallel oder unabhängig hiervon die Energiespeichereinrichtung (110) aufladbar ist, und in einer zweiten Notbetriebsart der Motor (38) alleine durch die Energiespeichereinrichtung (110) oder alleine durch das Versorgungsnetz (12) bestrombar ist, wofür zumindest zwei Y-Schaltelemente (40, 44) vorgesehen sind, um jeweils eine der beiden Kontaktseiten (76a, 76b) der Motorstränge (30) zur Bildung einer Y-Schaltung für die Notbetriebsart kurzzuschließen, wobei Notbetriebsteuerleitungen (58a, 58b) der beiden Umrichtereinrichtungen (13a, 13b) vorgesehen sind, um die jeweilige gegenüberliegende Kontaktseite (76a, 76b) der Motorstränge (30) über die Y-Schaltelemente (40, 44) kurzzuschließen.
Antriebsschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass in der ersten Betriebsart durch eine abgestimmte Ansteuerung der beiden Wechselrichtereinheiten (16) die Energiespeichereinrichtung (110) sowohl über die erste Wechselrichtereinheit (16a) und die Motorstränge (30) hinweg aufladbar, als auch durch generatorische Energie des Motors (38) aufladbar ist.
Schaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die beiden Umrichtereinrichtungen (13) zu Synchronisationszwecken mit einer Kommunikations-Steuerleitung (60) miteinander verbunden sind, wobei zumindest ein Drehwinkel des Motors (38) durch zumindest eine Umrichtereinrichtung (13a, 13b), bevorzugt durch beide Umrichtereinrichtungen (13) über zumindest einen Drehwinkelsensor (64) bestimmbar ist.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zumindest ein Schaltelement (40, 48) vorgesehen ist, um in der zweiten Betriebsart zumindest eine Kontaktseite (76) der Motorstränge (30) von einer Wechselrichtereinheit (16) zu trennen.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zumindest ein Schaltelement (40, 44, 46, 48) ein Halbleiterschaltelement (56) ist.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Wechselrichtereinheit (16a) mit einer an einem Versorgungsnetz (12) angeschlossenen Gleichrichtereinheit (14) mit DC-Zwischenkreis (18a) zur Bildung der ersten Umrichtereinrichtung (13a) und bevorzugt wegschaltbar von den Motorsträngen verbunden ist, und die zweite Wechselrichtereinheit (16b) im Wesentlichen unmittelbar mit der Energiespeichereinrichtung (110) über einen zweiten DC-Zwischenkreis (18b) zur Bildung einer zweiten Umrichtereinrichtung (13b) verbunden ist.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Energiespeichereinrichtung (110) Kondensatoren, Ultrakondensatoren, wiederaufladbare Batterien oder eine Kombination hiervon aufweist.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, das die Energiespeichereinrichtung (110) in der zweiten Betriebsart mit den Zwischenkreisen (18a, 18b) beider Wechselrichtereinheiten (16a, 16b) mittels eines Umschaltelements (102) verbindbar ist, so dass ein Doppelwechselrichterbetrieb durchführbar ist.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Energiespeichereinrichtung (110) in der zweiten Betriebsart von der zweiten Wechselrichtereinheit (16b) abkoppelbar und mit dem Zwischenkreis (18a) der ersten Wechselrichtereinheit (16a) mittels eines oder mehrerer Umschaltelemente (102) verbindbar ist, so dass eine Bestromung des Motors (38) über die erste Wechselrichtereinheit (16a) durchführbar ist.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Energiespeichereinrichtung (110) in der ersten Betriebsart von dem Zwischenkreis (18b) der zweiten Wechselrichtereinheit (16b) abkoppelbar und der zweite Zwischenkreis (18b) mittels eines oder mehrerer Umschaltelemente (102) mit einer durch das Versorgungsnetz (12) bereitgestellten DC-Gleichspannung verbindbar ist.
Verfahren zum Betrieb einer Antriebsschaltung (50, 54, 100) nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Normalbetriebsart ein Doppelwechselrichterbetrieb des Motors (38) durch Bestromung mittels des Versorgungsnetzes (12) und der Energiespeichereinrichtung (110) durchgeführt wird, wobei insbesondere bei geringer Motorlast die Energiespeichereinrichtung (110) aufgeladen wird, und in einer zweiten Notbetriebsart, insbesondere Ausfall des Versorgungsnetzes (12), ein Wechselrichterbetrieb des Motors (38) bei Vorsorgung alleine durch die Energiespeichereinrichtung (110) oder das Versorgungsnetz (12) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass eine Umschaltung zwischen erster und zweiter Betriebsart in Abhängigkeit eines Leistungsverlusts des Drehstrommotors (38), einem Ausfall oder Verringern der DC-Zwischenkreisspannung der ersten Wechselrichtereinheit (16a) oder einer nicht abgestimmten Wechselrichter-Ausgangsspannung erfolgt, wobei bevorzugt in der ersten Betriebsart bei Überschreiten eines vorgebbaren Leistungswertes des Motors (38) der zusätzliche Energiebedarf aus der Energiespeichereinrichtung (110) zur Verfügung gestellt wird und/oder in der zweiten Betriebsart die Energiespeichereinrichtung (110) mit dem ersten, dem zweiten oder beiden Zwischenkreisen (18a, 18b) gekoppelt wird, um einen Wechselrichter- oder einen Doppelwechselrichterbetrieb zu ermöglichen.