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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb, insbesondere einen Antrieb mit variabler Frequenz (VFD), zum Ansteuern mindestens eines Elektromotors, umfassend einen Netzversorgungsanschluss zum Liefern elektrischer Leistung an den elektrischen Antrieb, ein redundantes Speisesystem, umfassend mehrere und mindestens zwei Speiseeinheiten, nämlich einen ersten nicht regenerativen Frontend (NFE) oder aktiven Frontend (AFE) und einen zweiten nicht regenerativen Frontend oder aktiven Frontend, Leistungselektronikkomponenten zum Verbinden der Netzversorgungsverbindung mit dem Speisesystem, ein Steuersystem zum Steuern des Speisesystems und eine Zwischenkreisverbindung zum Verbinden des elektrischen Antriebs mit einem Zwischenkreis. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden elektrischen Antriebs.
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Elektrische Antriebe werden zum Ansteuern von Elektromotoren verwendet. Gewisse elektrische Antriebe können redundante Komponenten wie etwa Speiseeinheiten erfordern. Solche Systeme können üblicherweise an Stellen verwendet werden, wo die Prozessbetriebszeit kritisch ist und Redundanz erforderlich ist, um sicherzustellen, dass der Prozess selbst in einem Fall eines Speiseeinheitsausfalls nicht anhält. Sowohl die Speiseeinheiten und weitere Komponenten der elektrischen Antriebe können mit einer Zwischenkreis-Sammelschiene verbunden werden, die die Komponenten des elektrischen Antriebs mit einer DC-Stromquelle verbindet. Die Zwischenkreis-Sammelschiene muss so bemessen sein, dass sie in der Lage ist, die volle Last der angeschlossenen Komponenten und insbesondere die angeschlossene Speiseeinheiten zu tragen.
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Falls beispielsweise ein durch den elektrischen Antrieb angesteuerter Motor einen Laststrom von 1 kA als Stromversorgung erfordert, können zwei redundante Speiseeinheiten erforderlich sein, wobei jede in der Lage ist, 1 kA in die Zwischenkreis-Sammelschiene einzuweisen. Im Fall z. B. einer Fehlfunktion des Antriebs erfordert der Gesamtstrom, der durch die beiden Speiseeinheiten parallel durchläuft, es, die Zwischenkreis-Sammelschiene so zu bemessen, dass sie 2 kA tragen kann. Dies bedeutet, dass das Herstellen redundanter Systeme größere Sammelschienen erfordert und deshalb die Kosten für Sammelschienen steigert. Dies ist besonders dann problematisch, wenn Komponenten der Zwischenkreis-Sammelschiene wie etwa Kupfer teuer sind.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Überwindung dieses Problems. Das Problem wird durch einen verbesserten elektrischen Antrieb nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben des Antriebs nach Anspruch 7 gelöst. Vorteile Ausführungsformen der Erfindung sind Thema der Unteransprüche.
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Gemäß Anspruch Eins wird ein elektrischer Antrieb zum Ansteuern mindestens eines Elektromotors bereitgestellt. Der Antrieb umfasst eine Netzversorgungsverbindung zum Liefern elektrischer Leistung an den elektrischen Antrieb, ein redundantes Speisesystem, umfassend mindestens zwei Speiseeinheiten, nämlich einen ersten nicht regenerativen Frontend oder aktiven Frontend und einen zweiten nicht regenerativen Frontend oder aktiven Frontend, Leistungselektronikkomponenten zum Verbinden der Netzversorgungsverbindung mit dem Speisesystem, ein Steuersystem zum Steuern des Speisesystems und eine Zwischenkreisverbindung zum Verbinden des elektrischen Antriebs mit einem Zwischenkreis. Gemäß der Erfindung wird das Steuersystem bereitgestellt, um einen Überstrom und/oder eine Überlast zu begrenzen, die durch das Speisesystem läuft, durch Erzeugen eines Auslösesignals zum Trennen des Speisesystems mindestens teilweise von den Leistungselektronikkomponenten des elektrischen Antriebs.
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Die Erfindung ermöglicht das Herstellen eines redundanten Speisesystems ohne die Notwendigkeit zum Erhöhen der Stromtragfähigkeit der Zwischenkreis-Sammelschiene und ohne die Anforderung für exzessive zusätzliche Hardwarekomponenten. Die Erfindung liefert redundante Speiseeinheiten ohne strombegrenzende und/oder schaltungsöffnende Fähigkeiten zum Begrenzen des Gesamtzwischenkreisstroms. Dies reduziert die Systemkosten des elektrischen Antriebs, da teure Materialien wie etwa Kupfer in kleineren Mengen erforderlich sind und keine zusätzlichen strombegrenzenden Einrichtungen notwendig sind.
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Der Leistungswandler kann Leistung an eine beliebige elektrische Einrichtung wie etwa einen Elektromotor liefern. Obwohl die Verwendung des Leistungswandlers zusammen mit einem Motor bevorzugt wird, ist die Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt. Der Leistungswandler kann zusammen mit z. B. drei Speiseeinheiten und/oder Energiespeichereinrichtungen wie etwa Batterien, die mit dem Zwischenkreis verbunden sind, verwendet werden. In diesem Fall können keine Motorantriebe mit dem System verbunden werden. Dennoch wird ein redundanter Leistungswandler bereitgestellt, der das gleiche Problem löst, d. h. eine überdimensionierte DC-Sammelschiene, unter der Annahme, dass eine Batterie höchstens einen Speiseeinheitsgrößenstrom annehmen würde.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Überstrom und/oder die Überlast so begrenzt, dass sie unter einem definierten Maximalpegel bleiben. Dieser Maximalpegel kann eindeutig abhängig von dem Maximalstrom gewählt werden, den die Zwischenkreis-Sammelschiene tragen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Steuersystem eine Sternplatine und eine erste Steuereinrichtung, wobei die erste Steuereinrichtung die Speiseeinheiten über die Sternplatine steuert und die Sternplatine eine Strombegrenzungsfunktion umfasst.
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Das Steuersystem kann eine programmierbare Überstrom- und/oder Überlastbegrenzungsfunktion umfassen, die ein Auslösesignal erzeugt, was die Schaltung von dem Netz öffnen kann. Die Schaltung kann mit einem nicht regenerativen Frontend geöffnet werden, der Thyristoren in beiden, dem hohen und dem niedrigen Schenkel, umfassen kann. Falls zum Steuern eines Hauptschaltschützes des elektrischen Antriebs ein aktiver Frontend verwendet wird, kann der aktive Frontend dann in der Lage sein, die Schaltung zusätzlich oder alternativ zu öffnen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Steuersystem mindestens eine erste Steuereinrichtung und eine zweite Steuereinrichtung, wobei jede Speiseeinheit durch eine andere Steuereinrichtung gesteuert wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Steuereinrichtungen über eine Verbindung zum Kommunizieren der durch sie hindurchlaufenden Ströme miteinander verbunden.
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In diesem Fall können die zwei oder mehr Steuereinrichtungen einen gewissen Steuerungs-zu-Steuerungs-Kommunikationspfad umfassen zum Begrenzen des in die Zwischenkreis-Sammelschiene eingegebenen Totalstroms.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Elektronikkomponenten Hauptschalter und/oder Schaltschütze und/oder Transformatoren und/oder Filter.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren nach Anspruch 7 zum Betreiben eines elektrischen Antriebs, umfassend die Schritte:
- - Feststellen, ob ein Strom und/oder eine Last, die durch das Speisesystem hindurchgeht, einen Wert überschreitet, und
- - Erzeugen eines Auslösesignals zum Trennen des Speisesystems mindestens teilweise von den Leistungselektronikkomponenten des elektrischen Antriebs, falls der Strom und/oder die Last, die durch das Speisesystem verläuft, den Wert überschreitet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In den Figuren sind die Zwischenkreis-Nennströme als Beispiele angegeben, die Erfindung kann aber mit anderen Nennströmen ausgeführt werden. In den Figuren zeigen:
- 1: einen elektrischen Antrieb gemäß dem Stand der Technik und mit zwei Elektromotoren verbunden;
- 2: eine erste Ausführungsform des elektrischen Antriebs;
- 3: eine zweite Ausführungsform des elektrischen Antriebs;
- 4: einen aktiven Frontend unter Verwendung von aktiven Schaltern;
- 5: einen aktiven Frontend unter Verwendung von Thyristoren als Gleichrichtern;
- 6: einen aktiven Frontend mit einem typischen LC-Eingangsfilter;
- 7: einen aktiven Frontend mit Schaltschütz, Leistungsschalter, Filter; und
- 8: eine INU (Invertereinheit).
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1 zeigt einen elektrischen Antrieb zum Ansteuern von Elektromotoren gemäß dem Stand der Technik. Der Antrieb umfasst eine Netzversorgungsverbindung 1 zum Liefern elektrischer Leistung an den elektrischen Antrieb, ein redundantes Speisesystem 2 umfassend mindestens zwei Speiseeinheiten 21, 22. Weitere Komponenten wie etwa Invertereinheiten INU mit verschiedenen Nennströmen können ebenfalls bereitgestellt werden. Die Speiseeinheiten 21, 22 des Antriebs können einen ersten nicht regenerativen Frontend NFE oder aktiven Frontend AFE und einen zweiten nicht regenerativen Frontend NFE oder aktiven Frontend AFE umfassen. Der Antrieb kann weiter typischerweise andere Leistungselektronikkomponenten 3 umfasst, die zum Durchführen von notwendigen Strom- und Spannungsmodifikationen und Verbinden des Netzes mit dem Speisesystem 2 erforderlich sind. Ein Steuersystem 4 umfassend eine erste und zweite Steuereinrichtung 42, 43 kann vorgesehen sein zum Steuern des Speisesystems 2. Eine Zwischenkreisverbindung 5 verbindet den elektrischen Antrieb mit einem Zwischenkreis. Da der Überlaststrom von dem Speisesystem 2 zu der Zwischenkreis-Sammelschiene nicht begrenzt ist, muss der Zwischenkreis gemäß dem Strom bemessen werden, der durch die Speiseeinheiten und Schutzkomponenten wie etwa Sicherungen begrenzt wird.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform des elektrischen Antriebs. Der Antrieb umfasst ein Steuersystem 4 zum Begrenzen eines Überstroms und/oder eine Überlast, die durch das Speisesystem 2 verlaufen, durch Erzeugen eines Auslösesignals zum Trennen des Speisesystems 2 mindestens teilweise von den Leistungselektronikkomponenten 3 des elektrischen Antriebs. Das Steuersystem 4 kann eine gewisse softwarebasierte Überwachungsfunktion umfassen, die die Ströme steuert, die durch das Speisesystem 2 hindurchgehen.
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Nachdem ein übermäßiger Strom erfasst worden ist, kann das Auslösesignal an das Speisesystem 3 oder an gewisse Komponenten des Speisesystems 3 geliefert werden, so dass sie mindestens teilweise von den Leistungselektronikkomponenten 3 und/oder der Zwischenkreis-Sammelschiene getrennt werden.
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Somit kann der elektrische Antrieb sicherstellen, dass der Überstrom und/oder die Überlast, die an dem Speisesystem auftreten, begrenzt werden, um unter einem definierten Maximalpegel zu bleiben.
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In der Ausführungsform von 2 umfasst das Steuersystem 4 eine Sternplatine 41 und eine erste Steuereinrichtung 42, wobei die erste Steuereinrichtung 42 beide oder alle der Speiseeinheiten 21, 22 über die Sternplatine 41 steuert. Somit kann eine Strombegrenzungsfunktion durch die Sternplatine 41 bereitgestellt werden. Da ein Überlaststrom in diesem Fall durch die Speiseeinheiten-Steuereinrichtung 42 begrenzt wird, kann der Zwischenkreis gemäß der Stromgrenze des Speisesystems 3 bemessen werden.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform des elektrischen Antriebs. Hier umfasst das Steuersystem 4 mindestens eine erste Steuereinrichtung 42 und eine zweite Steuereinrichtung 43. Die zweite Steuereinrichtung 43 ist von der in der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform beschriebenen Sternplatine 41 verschieden. In der zweiten Ausführungsform von 3 wird jede Speiseeinheit 21, 22 durch eine andere Steuereinrichtung 42, 43 gesteuert. Die Steuereinrichtungen 42, 43 werden übe eine Verbindung 6 zueinander verbunden, um die Ströme zu kommunizieren, die durch die Komponenten, die sie steuern, laufen. Sie können programmiert oder gesteuert werden, um zu verifizieren, ob ein Maximalstromwert, der durch die Speiseeinheiten 21, 22 läuft, überschritten worden ist, und/oder um die Speiseeinheiten 21, 22 von der Zwischenkreis-Sammelschiene und/oder anderen Komponenten des elektrischen Antriebs entsprechend zu trennen.
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4 zeigt einen aktiven Frontend unter Verwendung von oberen Zweigschaltern S1, S2, S3 und unteren Zweigschaltern S4, S5, S6 zum Steuern der Leistungsumwandlung. Wegen der Schalter S1 bis S6 kann die Leistungsumwandlung bidirektional sein. DC+ und DC- können eine Spannung an die Zwischenkreis-Sammelschiene liefern. Der Kondensator C kann eine Welligkeit auf der Zwischenkreisspannung reduzieren.
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5 zeigt einen aktiven Frontend unter Verwendung von oberen Zweigthyristoren D1, D2, D3 und/oder unteren Zweigschaltern D4, D5, D6 zum Steuern des Schaltens der Leistungsumwandlung. Der Phasen-AC-Eingang kann über Verbinder R, S, T mit dem Netz verbunden sein. DC+ und DC- können eine Spannung an die Zwischenkreis-Sammelschiene liefern. Der Kondensator C kann Welligkeit auf der Zwischenkreisspannung reduzieren.
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6 zeigt einen aktiven Frontend unter Verwendung von oberen und unteren Zweigschaltern S1, S2, S3, S4, S5, S6 und mit an einen AC-Eingangsfilter gekoppelten Induktoren L1, L2, L3 zwischen dem Netz R, S, T und Mittelpunkten S1-S4, S2-S5, S3-S6. Die Kondensatoren C1, C2, C3 können zwischen die Mittelpunkte S1-S4, S2-S5, S3-S6 und etwa Masse gekoppelt sein, um Gleichtakt- oder etwa Gegentaktrauschen zu filtern, das zum Beispiel im Betrieb durch die Schalter S1 bis S6 verursacht wird.
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7 zeigt einen aktiven Frontend mit einem Filter mit Leistungsschaltern SW1, SW2, SW3 zum Unterbrechen der Leistungsumwandlung und elektrischen Verbindung zwischen dem Netz R, S, T und der aktiven Frontend-Schaltungsanordnung als solche. B1, B2, B3 können als Leistungsschalter in dem Fall verwendet werden, dass eine Stromgrenze (Überstrom) während etwa einer Fehlerbedingung überschritten wird.
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8 zeigt einen Inverter INU mit oberen Zweigschaltern S1, S2, S3 und unteren Zweigschaltern S4, S5, S6. Das Steuern der Schalter kann über Impulsbreitenmodulation erfolgen. Die Leistungsumwandlung kann bidirektional sein, was bedeutet, dass eine Leistung von der Zwischenkreisschiene etwa in eine AC-Spannung über die Schalter S1 bis S6 zum Verbinder U, V, W umgewandelt wird. Die Leistung kann auch von U, V, W-Verbindern über die Schalter S1 bis S6 zurück in die Zwischenkreisschiene fließen.
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Die Leistungsschalter B1, B2, B3 können im Fall eines Überstroms verwendet werden zum Entkoppeln der Leistungsumwandlung und zu dem des aktiven Frontend von dem Versorgungsnetz. Der Überstrom kann eine Fehlerbedingung sein, die die Leistungsschalter B1, B2, B3 auslöst.
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Der INU von 8 kann ebenfalls die Leistungsschalter B1, B2, B3 durch Steuern der Schalter S1 bis S6 im oberen und unteren Zweig in einen Ein-Zustand steuern, was einen Kurzschluss zwischen DC+ und DC- bewirkt und dadurch die Leistungsschalter B1, B2, B3 auslöst. Dieses gesteuerte Verfahren des Auslösens der Leistungsschalter B1, B2, B3 durch Setzen des oberen und unteren Zweigschalters S1 bis S6 auf EIN zur gleichen Zeit kann durch einen beliebigen Typ eines Fehlerdetektierens initiiert werden, das ein sicheres Anhalten der Leistungsumwandlung erfordert.
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Die Elektronikkomponenten 3 des elektrischen Antriebs können Hauptschalter, Schaltschütze, Transformatoren, Filter, Kommunikationseinrichtungen und/oder andere Komponenten umfassen, die zum Ansteuern der Motoren erforderlich sind.
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Der elektrische Antrieb kann durch ein Verfahren betrieben werden, das die Schritte umfasst:
- - Feststellen, ob ein Strom und/oder eine Last, die durch das Speisesystem 2 hindurchgehen, einen Wert überschreitet, und
- - Erzeugen eines Auslösesignals zum Trennen des Speisesystems 2 mindestens teilweise von den Leistungselektronikkomponenten 3 des elektrischen Antriebs, falls der Strom und/oder die Last, die durch das Speisesystem 2 verläuft, den Wert überschreitet.
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Das Verfahren kann durch einen Steueralgorithmus umgesetzt werden, wobei das Steuersystem 4 oder Komponenten davon programmiert sind zum Überwachen der Ströme, die durch das Speisesystem laufen. Das Verfahren kann weitere Schritte bezüglich des Funktionierens und der Steuerung der gegenwärtig beschriebenen Komponenten des elektrischen Antriebs enthalten. Die Erfindung kann beliebige logische Kombinationen von Merkmalen der gegenwärtig beschriebenen Ausführungsformen umfassen.
