CH690015A5 - Frequenzumrichter und Verfahren zu seinem Betrieb. - Google Patents

Description

  
 


 Stand der Technik 
 



  Die Erfindung geht aus von einer Anordnung und einem Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen 1 und 15. Eine Anordnung dieser Art ist aus der DE-OS 4 128 803 bekannt. Sie besteht aus einem Netzgleichrichter, welcher einen Gleichspannungszwischenkreis versorgt, an den mehrere Wechselrichter angeschlossen sind. Der Netzgleichrichter ist so ausgelegt, dass seine Leistungsfähigkeit der maximalen Summe der gleichzeitig von den Wechselrichtern aufgenommenen Leistungen entspricht. Zur Glättung von Spannungsspitzen sind in den Zwischenkreissträngen Drosseln angeordnet. Diese tragen zwar in geringem Masse auch zur Vermeidung einer Überlastung des Gleichrichters bei. Grundsätzlich wird jedoch bei dieser bekannten, insbesondere zur Anwendung in Maschinen konzipierten Anordnung vorausgesetzt, dass die einzelnen Wechselrichter alternierend mit hoher und niedriger Leistung betrieben werden.

   Ist die zeitliche Verteilung der Leistungsaufnahmen durch die Wechselrichter im Voraus nicht bekannt, oder ist der Fall vorzusehen, dass mehrere der Wechselrichter zur selben Zeit mit höchster Leistung betrieben werden, muss ein auf die Summe der maximalen Leistungen des Wechselrichters ausgelegter Gleichrichter eingesetzt werden. Wird ein zu klein dimensionierter Gleichrichter eingesetzt, kann dieser zwar  kurzzeitigen Überlastungen in der Regel standhalten. Länger andauernde Überlastungen führen dagegen im Allgemeinen über vorhandene Schutzvorrichtungen zum Abschalten der gesamten Anlage. Andererseits ist eine Überdimensionierung aus wirtschaftlichen Gründen nicht erwünscht. 



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter mit mehreren von demselben Zwischenkreis gespeisten Antrieben dahin weiterzubilden, dass das Auftreten länger andauernder Überlastungen sowie kurzzeitiger externer Lastspitzen im Gleichrichter vermieden wird. 



  Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung und ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 15. Eine erfindungsgemässe Anordnung gestattet es durch Überwachung der Auslastung - das heisst das Verhältnis der momentanen zur jeweils maximal möglichen Leistung - der Gleichrichtereinheit zuverlässig deren Überlastung zu vermeiden. Zugleich wird damit das Abschalten der gesamten Anlage wegen Überlastung vermieden. Die Gleichrichtereinheit kann dadurch stets an ihrer Leistungsgrenze betrieben und somit optimal ausgenutzt werden. Dies wiederum erlaubt eine verhältnismässig kleine und deshalb kostengünstige Realisierung der Gleichrichtereinheit. 



  Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmässige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. 



  Von Vorteil ist es, jeder Wechselrichtereinheit ein der ermittelten Auslastung der Gleichrichtereinheit entsprechendes Signal mitzuteilen, damit diese die von ihr aus dem Zwischenkreis aufgenommene beziehungsweise die in diesen zurückgespeiste Leistung  auf die mitgeteilte Auslastung der Gleichrichtereinheit abstimmen kann. Im Falle einer Überlastung erfolgt die Abstimmung zweckmässig, indem jede Wechselrichtereinheit die von ihr aus dem Zwischenkreis aufgenommene beziehungsweise in diesen zurückgespeiste Leistung verringert. Sinnvoll wird die Abstimmung der Wechselrichtereinheiten auf die Gleichrichterleistung durch eine übergeordnete Steuerung koordiniert, der hierzu im Überlastungsfall ein Warnsignal übermittelt wird. 



  Zur Bestimmung der jeweils aktuellen Auslastung der Gleichrichtereinheit werden vorteilhaft 2- oder 3-phasig der Strom, die Temperatur der in der Gleichrichtereinheit vorhandenen Kühlkörper, die Temperatur der Umgebung und die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter im Gleichrichter herangezogen. Weiterhin empfiehlt es sich, die Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiter zu berücksichtigen, welche vorteilhaft mithilfe eines mathematischen Modells ermittelt wird. 



  Besonders vorteilhaft ist ferner, die Phasenleitungen des Netzanschlusses einzeln auf Ausfall zu überwachen. Bei einphasigem Netzausfall, Ausfall eines Leistungshalbleiters oder Ausfall eines von mehreren parallel geschalteten Gleichrichtern wird die Anlage nicht abgeschaltet, sondern mit verminderter Leistung weiterbetrieben. 



  Zweckmässig sind die Mittel zum Bestimmen der Auslastung der Gleichrichtereinheit direkt in dieser angeordnet. Das die Auslastung bezeichnende Signal ist sinnvollerweise ein Digitalsignal, welches über eine Busleitung den Wechselrichtereinheiten zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, das Auslastungssignal als Pulsdauer zu codieren, wobei die Länge des Pulses der Auslastung entspricht. 



  Bevorzugt angewendet wird die vorgeschlagene Anordnung zur Versorgung der Antriebe einer numerisch gesteuerten Maschine. 



  Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. 


 Zeichnung 
 



  Die Figur zeigt einen erfindungsgemässen Umrichter. 


 Beschreibung 
 



  Der in der Figur dargestellte Umrichter ist über eine Gleichrichtereinheit 1 mit einem, im Allgemeinen dreiphasigen, Wechselstromnetz 2 verbunden. Die Ausgangsseite der Gleichrichtereinheit 1 speist einen Gleichspannungszwischenkreis 3. Zur Stabilisierung der Zwischenkreisspannung können Glättungsmittel 4, in der Figur beispielhaft ein Kondensator, vorgesehen sein. An den Zwischenkreis 3 sind mehrere Wechselrichter 6 angeschlossen, die ausgangsseitig jeweils einen vorzugsweise kollektorlosen Elektromotor 7, insbesondere einen Servoantrieb vorsorgen. Gleichrichtereinheit 1 und Wechselrichter 6 sind zweckmässig so ausgeführt, dass der Umrichter auch als Rückspeiseumrichter betreibbar ist.

   Hauptbestandteile der Gleichrichtereinheit 1 wie der Wechselrichter 6 sind Leistungshalbleiter, welche über die Signalleitung 11 im Falle der Gleichrichtereinheit, beziehungsweise über die Signalleitung 10 im Falle der Wechselrichter 6 angesteuert werden. Zur Erzeugung der Ansteuersignale sind der Gleichrichtereinheit 1 eine Steuereinheit 8, den Wechselrichtern 6 jeweils ein Steuermodul 5 zugeordnet. Gleichrichtereinheit 1 und zugehörige Steuereinheit 8 sind häufig als bauliche Einheit in Form eines Versorgungsmoduls VM realisiert, Wechselrichter 6 und  Steuermodul 5 bilden eine Wechselrichtereinheit.

   Zweckmässig verfügen Steuereinheit 8 und Steuermodule 5 jeweils über eine digitale Signale verarbeitende Einrichtung in Form zum Beispiel eines Mikroprozessors oder eines anwenderspezifischen integrierten Schaltkreises zur Verarbeitung beziehungsweise Erzeugung der ein- und ausgehenden Signale, die im Folgenden als Mikrorechner bezeichnet wird. Die Ansteuerung der Wechselrichtereinheiten erfolgt vorzugsweise durch pulsweitenmodulierte Signale. Steuermodule 5 und Steuereinheit 8 sind über eine Busleitung 12 miteinander sowie mit einer übergeordneten Steuerung 9, insbesondere einer NC verbunden. Letztere beinhaltet ebenfalls einen eigenen Mikrorechner. 



  Zur Steuerung des Umrichterbetriebes sind im Bereich des Versorgungsmodules VM mehrere Sensoren vorgesehen. An wenigstens einem zur Kühlung der Leistungsbauelemente dienenden Kühlkörper 16 in der Gleichrichtereinheit 1 sowie in dem das Versorgungsmodul VM umgebenden Raum befinden sich Temperatursensoren 14, 17. Weiterhin sind am Zwischenkreis 3 eine Einrichtung 13 zur Erfassung der Spannung im Zwischenkreis sowie an den einzelnen Phasen des Wechselstromanschlusses 2 eine Einrichtung 15 zur Überwachung der Phasen auf Ausfall angeordnet. 



  Die dargestellte Anordnung weist die nachfolgend beschriebene Funktionsweise auf. Das Versorgungsmodul VM bestimmt fortlaufend seine Auslastung und übermittelt ein der festgestellten Auslastung entsprechendes Signal A an die Steuermodule 5 der Wechselrichter 6. Hierfür ermittelt die Steuereinheit 8 zunächst die aktuelle Ist-Leistung des Versorgungsmoduls VM. Sie erfasst dazu zum einen über Sensoren 15 den in den Netzphasen 2 fliessenden Strom. Wird die Zwischenkreisspannung als konstant angesehen, entspricht der von den Sensoren 15 gelieferte Messwert bereits der augenblicklichen Leistung der Gleichrichtereinheit 1. 



  Des Weiteren ermittelt die Steuereinheit 8 den Wert der zu einem Betriebszeitpunkt maximal möglichen Leistung der Gleichrichtereinheit 1. Dazu erfasst sie über einen oder mehrere Sensoren 17 die Temperatur wenigstens eines Kühlkörpers 16, mittels dessen bzw. derer die in der Gleichrichtereinheit 1 angeordneten Leistungshalbleiter gekühlt werden, sowie über einen Sensor 14 die Umgebungstemperatur. Weiterhin berücksichtigt sie abgespeicherte Leistungshalbleiterdaten, insbesondere Kennwerte für die Berechnung der Sperrschichttemperatur. Aufgrund der von den Sensoren 14, 17 erhaltenen Messwerte und der gespeicherten Daten der Leistungshalbleiter ermittelt die Steuereinheit 8 den Wert der Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiter. Diesen vergleicht sie mit einem halbleiterspezifischen, in der Regel herstellerseitig vorgegebenen Maximalwert für die Sperrschichttemperatur.

   Aus der Differenz beider Werte ergibt sich direkt die zu einem Betriebszeitpunkt maximal erlaubte Leistung. Deren Wert verändert sich während des Betriebes, vor allem infolge der zunehmenden Erwärmung der in der Gleichrichtereinheit 1 vorhandenen Leistungshalbleiter, welche wiederum eine Folge des durch die Leistungshalbleiter fliessenden Stroms beziehungsweise der hohen Schaltfrequenz ist. Die Auslastung der Gleichrichtereinheit 1 ergibt sich nun durch Vergleich des zu einem beliebigen Betriebszeitpunkt für die Gleichrichtereinheit ermittelten Ist-Leistungswert mit dem Wert der für die Gleichrichtereinheit 1 zu diesem Zeitpunkt erlaubten maximalen Leistung. 



  Den für die Auslastung ermittelten Wert übermittelt die Steuereinheit 8 in Form eines digitalen Signales A über den Datenbus 12 an die den Wechselrichtern 6 zugeordneten Steuermodule 5. Diese beziehen den übermittelten Wert in die Erzeugung der Ansteuersignale ein. Zeigt das Auslastungssignal A an, dass die Gleichrichtereinheit 1 überlastet ist, leiten die in den Steuermodulen 5 vorhandenen  Mikrorechner Massnahmen ein, um den Überlastungszustand in einen Normalzustand zurückzuführen. Dies kann zum Beispiel durch Reduzierung der von bestimmten Antrieben aus dem Zwischenkreis aufgenommenen bzw. an diesen abgegebenen Leistung, durch gleichmässige Reduzierung der Leistung aller Antriebe oder auch durch gezieltes generatorisches Betreiben eines Antriebs erfolgen.

   Die Koordination der Massnahmen zur Rückführung eines Überlastzustandes erfolgt zweckmässig durch die übergeordnete Steuerung 9, welcher das Auslastungssignal A ebenfalls mitgeteilt wird. Sinnvoll ist es, bezüglich der Leistungen der Gleichrichtereinheit 1 und/oder der Wechselrichtereinheiten 5, 6 eine Trenderkennung durchzuführen, mit dem Ziel, Überlastzustände beziehungsweise Lastspitzen bereits während ihrer Entstehung zu erkennen. Sie wird in einfacher Weise durch Beobachtung der Änderung der Leistung bezogen auf ein vorgegebenes Zeitintervall, oder anders ausgedrückt durch zeitliche Differentiation der Leistung realisiert.

   Befindet sich die Gleichrichtereinheit 1 bereits nahe an der maximal möglichen Auslastung, und weist der Leistungsbedarf dennoch steigende Tendenz auf, leiten die Steuermodule 5, noch bevor ein Überlastzustand tatsächlich eintritt, Massnahmen ein, um die Leistung in der Gleichrichtereinheit 1 nicht weiter zu erhöhen. 



  Kann eine Rückführung eines Überlastzustandes der Gleichrichtereinheit 1 nicht innerhalb einer für die Dauer eines solchen Überlastzustandes zulässigen Höchstzeit erfolgen, werden die Antriebe 7, vorzugsweise kontrolliert durch die übergeordnete Steuerung 9, in einen sicheren Haltezustand gebracht. 



  Um einen Umrichter möglichst optimal, das heisst nahe an seiner zulässigen Nennleistung betreiben zu können, ist es vorteilhaft, möglichst viele der die aktuelle Leistungsfähigkeit der Gleichrichtereinheit 1 bestimmenden Parameter zu erfassen. Weitere zweckmässig  erfasste und bei der Bestimmung der jeweils maximal möglichen Leistungsfähigkeit berücksichtigte Parameter sind zum Beispiel die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter und/oder die Zwischenkreisspannung. Weitere zweckmässige berücksichtigte feste Parameter sind vor allem die thermischen Übergangswiderstände zwischen Leistungshalbleitern und Kühlkörpern sowie zwischen Kühlkörpern und Umgebungsluft. 



  Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, zusätzlich die Phasen des Netzanschlusses 2 der Gleichrichtereinheit einzeln auf Ausfall zu überwachen. Zweckmässig dient hierzu der zur Ermittlung der Ist-Leistung ohnehin vorhandene Stromsensor 15. Ebenso gut kann aber auch ein - dann eigenständiger - Spannungssensor eingesetzt sein. Das vom Sensor 15 abgegebene Signal wertet die Steuereinheit 8 daraufhin aus, ob in allen Phasen des Netzanschlusses 2 ein vorgegebener Mindeststrom fliesst bzw. eine Mindestspannung anliegt.

   Da der Ausfall einer Netzphase eine plötzliche Reduzierung der maximal möglichen Leistung der Gleichrichtereinheit um etwa ein Drittel zur Folge hat, und somit in der Regel sofort zu einem Zustand deutlicher Überlastung fährt, erzeugt die Steuereinheit 8 im Falle eines festgestellten Ausfalles einer Netzphase zweckmässig ein gesondertes Signal, zum Beispiel in Form einer besonderen Codierung, welches sie der übergeordneten Steuerung 9 sowie den den Wechselrichtereinheiten 6 zugeordneten Steuermodulen 5 mitteilt. 



  In einer Variante des vorgeschlagenen Umrichters wird der Momentanleistungbedarf der Gleichrichtereinheit 1 nicht aufgrund der Erfassung des in den Netzphasen 2 anliegenden Stromes beziehungsweise der anliegenden Spannung bestimmt. Stattdessen übermitteln die Steuermodule 5 der Steuereinheit 8 jeweils einen dem Ausgangsstrom und somit der Leistung des zugeordneten Wechselrichters 6 entsprechenden Signalwert A min . Einfache Addition der übermittelten Signalwerte liefert der Steuereinheit 8 die augenblickliche  Ist-Leistung der Gleichrichtereinheit 1. Zweckmässig erfolgt die Übermittlung der Leistungen der Wechselrichter 6 an die Steuereinheit 8 in Form pulsweitenmodulierter beziehungsweise zeitcodierter Signale. Dabei entspricht die Dauer eines Signals der von der sendenden Wechselrichtereinheit aus dem Zwischenkreis 3 aufgenommenen Leistung.

   Die Übermittlung der Leistungssignale von den Wechselrichtereinheiten 6 an das Versorgungsmodul VM erfolgt zweckmässig jeweils zu einem festgelegten Zeitpunkt, zum Beispiel dem Stromreglertakt. 



  Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuermodule 5 die Leistungs-Signalwerte bereits im Voraus aufgrund interner Information sowie durch Vorausberücksichtigung von Betriebssollwerten, welche sie über die Busleitung 12 zum Beispiel von einer NC 9 erhalten, ermitteln und der Steuereinheit 8 mitteilen. Dieser ist dadurch der Leistungsbedarf der Gesamtanlage vor seinem tatsächlichen physikalischen Anfall bekannt. Eine solche voreilende Leistungsbedarfsermittlung kann vorteilhaft für eine Vorsteuerung der Gleichrichtereinheit genutzt werden. 

Claims (16)

1. Frequenzumrichter mit einer Netzgleichrichtereinheit zur Speisung eines Gleichspannungszwischenkreises, an den wenigstens eine Wechselrichtereinheit angeschlossen ist, gekennzeichnet durch Mittel, die während des Betriebs zu jeder Zeit die Bestimmung der Auslastung, das heisst des Verhältnisses von augenblicklicher zu im Bestimmungszeitpunkt maximal möglicher Leistung der Gleichrichtereinheit (1) gestatten.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) entsprechendes Signal A für jede Wechselrichtereinheit (5, 6) bereitgestellt wird, welche aufgrund dieses Signals die von ihr aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommene oder an diesen abgegebene Leistung auf die Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) abstimmt.

3.

Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6) die aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommene oder an diesen abgegebene Leistung verringert, wenn die Auslastung der Gleichrichtereinheit einen Grenzwert übersteigt.

4. Umrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinheit (1) das Zeitverhalten der in ihr umgesetzten Leistung überprüft und dass wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6) die aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommene beziehungsweise an diesen abgegebene Leistung verringert, wenn die in der Gleichrichtereinheit (1) umgesetzte Leistung eine zunehmende Tendenz aufweist und die Auslastung oberhalb eines vorgebbaren Schwellwertes liegt.

5.

Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (15, 8) zur Überwachung der Netzphasen (2) auf Ausfall vorgesehen ist, und dass bei Ausfall einer Netzphase die Wechselrichtereinheiten (5, 6) die aus dem Zwischenkreis aufgenommene beziehungsweise an diesen abgegebene Leistung so weit reduzieren, dass die Gleichrichtereinheit (1) nicht überlastet wird.

6. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bestimmen der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) zumindest einen Strom- oder Spannungssensor (15) sowie eine Einrichtung (17) zur Erfassung der Temperatur wenigstens eines in der Gleichrichtereinheit (1) zur Kühlung der Leistungsbauelemente vorhandenen Kühlkörpers (16) aufweisen.

7.

Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bestimmen der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) weiterhin eine Einrichtung zur Erfassung der Umgebungstemperatur (14) und/oder der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter aufweisen.

8. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bestimmen der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) in dieser angeordnet sind.

9. Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gleichrichtereinheit (1) und Wechselrichter (6) über eine Busleitung (12) miteinander verbunden sind, über welche das Auslastungssignal A übertragen wird.

10.

Umrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslastungssignal A ein als Pulsdauersignal codiertes Signal ist, wobei die Länge eines Pulses der von der aussendenden Wechselrichtereinheit (5) aufgenommenen Leistung aus dem Zwischenkreis (3) entspricht.

11. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wechselrichtereinheit (5, 6) der Gleichrichtereinheit (1) ein Signal A min übermittelt, welches der von dem Wechselrichter (6) aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommenen oder an diesem abgegebenen Leistung entspricht.

12. Umrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6) die von ihr aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommene beziehungsweise an diesen abgegebene Leistung aufgrund von Betriebssollwerten im Voraus ermittelt.

13.

Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6) zur Speisung eines Antriebs (7) dient, der Bestandteil einer numerisch gesteuerten Maschine ist.

14. Umrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichtermodule die Antriebe in sichere Ruhepositionen steuern, wenn eine Überlastung der Gleichrichtereinheit (1) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

15.

Verfahren zum Betrieb eines Frequenzumrichters mit einer Netzgleichrichtereinheit zur Speisung eines Gleichspannungszwischenkreises, an den wenigstens eine Wechselrichtereinheit angeschlossen ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Bestimmen der Leistung der Gleichrichtereinheit (1) in einem Bestimmungszeitpunkt, - Bestimmen der maximal zulässigen Leistung der Gleichrichtereinheit (1) im Bestimmungszeitpunkt, - Bestimmen der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) durch Vergleich des für die Ist-Leistung erhaltenen Wertes mit dem für die maximal zulässige Leistung erhaltenen Wert.

16.

Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Übermitteln eines der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) entsprechenden Signals A an wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6), - Abstimmen der von der (den) Wechselrichtereinheit(en) (6) aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommenen Leistung auf die Auslastung der Gleichrichtereinheit (1).