DE10131212A1

DE10131212A1 - Digital control system for rectifier cascade with asynchronous motor for pump and waste gas units, comprises computing system to control input and output

Info

Publication number: DE10131212A1
Application number: DE2001131212
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Froehlich; Axel Ketelsen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-30

Abstract

A digital control system for a sub-synchronous rectifier cascade having an asynchronous motor and connected rectifier (2), a smoothing choke (5) and an inverter (11) connecting to the mains. These are formed with digital input and output components controlled by a computer using algorithmic control and regulation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Regelungssystem für eine untersynchrone Stromrichterkaskade. The present invention relates to a digital Control system for a sub-synchronous converter cascade.

Untersynchrone Stromrichterkaskaden werden zum Umformen oder Steuern elektrischer Energie zum Antrieb von Asynchronmaschinen verwendet, beispielsweise für Abgasabsauganlagen, Lüfter, Pumpen und dergleichen. Sub-synchronous converter cascades are used for forming or Control electrical energy to drive Asynchronous machines used, for example for exhaust gas extraction systems, fans, Pumps and the like.

Die untersynchrone Stromrichterkaskade setzt eine Asynchronmaschine mit einem ständerseitigen und einem läuferseitigen Wicklungssystem voraus. Die läuferseitigen Wicklungen sind an Schleifringen herausgeführt. An die Schleifringe der Asynchronmaschine wird bisher ein ungesteuerter Stromrichter in Drehstrombrückenschaltung angeschlossen, der die in Frequenz und Amplitude schlupfproportionale Läuferspannung gleichrichtet. Der ungesteuerte Stromrichter bildet zusammen mit einer Drosselspule und einem netzgeführten Wechselrichter, in der Regel in Drehstrombrückenschaltung, einen Zwischenkreis. Die Drosselspule nimmt die Differenzspannung aufgrund der unterschiedlichen Momentanwerte der welligen Gleichspannungen auf und glättet damit den Gleichstrom. Der netzgeführte Wechselrichter speist die vom Gleichstromzwischenkreis übertragende Wirkleistung ins Netz zurück. The sub-synchronous converter cascade sets one Asynchronous machine with a stator side and a rotor side Winding system ahead. The rotor-side windings are on Slip rings led out. To the slip rings of the Asynchronous machine is currently an uncontrolled converter in Three-phase bridge circuit connected, which in frequency and amplitude of slip-proportional rotor voltage rectifies. The uncontrolled converter forms together with one Choke coil and a grid-controlled inverter, in the Usually in three-phase bridge circuit, an intermediate circuit. The Choke coil takes the differential voltage due to the different instantaneous values of the undulating DC voltages and thus smoothes the direct current. The network-led Inverter feeds the one that transmits from the DC link Active power back into the network.

Die bisher bekannten Regelungseinrichtungen untersynchroner Stromrichterkaskaden ermöglichen eine Leistungsumsetzung der Asynchronmaschine nur in einem beschränkten Drehstellbereich mit einem guten Wirkungsgrad. Darüber hinaus ist ein Notbetrieb einer untersynchronen Stromrichterkaskade im Störungsfalle nicht bzw. nur mit hohem schaltungstechnischen Aufwand realisierbar. The previously known control devices are sub-synchronous Power converter cascades enable the power to be implemented Asynchronous machine only in a limited turning range with good efficiency. In addition, is a Emergency operation of a sub-synchronous converter cascade in the Failure trap or only with high circuit complexity realizable.

Der Erfindung liegt in Anbetracht dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein digitales Regelungssystem für eine untersynchrone Stromrichterkaskade bereitzustellen, welche bei einem Drehzahlstellbereich von 50 bis 100% im Kaskadenbetrieb einen verbesserten Wirkungsgrad mit geringem schaltungstechnischen Aufwand einen Betrieb eine Asynchronmaschine ermöglicht. The invention is in view of this prior art based on the task of a digital control system for a sub-synchronous converter cascade, which with a speed setting range of 50 to 100% in Cascade operation an improved efficiency with low circuitry an operation Asynchronous machine enables.

Zur technischen Lösung wird mit der Erfindung ein digitales Regelungssystem für eine untersynchrone Stromrichterkaskade mit einer Asynchronmaschine mit einem ständerseitigen Wicklungssystem und einem an Schleifringen herausgeführten läuferseitigen Wicklungssystem, einer an die Schleifringe angeschlossenen Stromrichtereinrichtung welche die in Frequenz und Amplitude schlupfproportionale Läuferspannung gleichrichtet, einer Zwischenkreisdrossel zum Glätten des gleichgerichteten Stroms und einer netzgeführten Wechselrichtereinrichtung zum Rückspeisen der vom Zwischenkreis übertragenen Wirkleistung ins Netz bereitgestellt, wobei die Stromrichtereinrichtung, die Zwischenkreisdrossel und/oder die Wechselrichtereinrichtung als digitale Ein-/Ausgabebaugruppen mit digitalen und/oder analogen Ein- und/oder Ausgängen ausgebildet sind, welche mit wenigstens einer vorzugsweise als Baugruppe ausgebildeten Recheneinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Ein- und Ausgabebaugruppen verbunden sind, wobei die Recheneinrichtung mittels Algorithmen Steuer- und/oder Regelungsaufgaben der digitalen Ein- und Ausgabebaugruppen realisiert. The invention provides a technical solution digital control system for a sub-synchronous Converter cascade with an asynchronous machine with a stator side Winding system and a lead out on slip rings rotor-side winding system, one on the slip rings connected converter device which in frequency and amplitude of slip-proportional rotor voltage rectified, an intermediate circuit choke for smoothing the rectified current and a line-guided Inverter device for regenerating those transmitted by the DC link Active power provided in the network, the Power converter device, the intermediate circuit choke and / or the Inverter device as digital input / output modules with digital and / or analog inputs and / or outputs are, which with at least one preferably as an assembly trained computing device for control and / or Control of the input and output modules are connected, the Computing device using algorithms control and / or Control tasks of the digital input and output modules realized.

Erfindungsgemäß werden die Steuer- und Regelaufgaben in der Stromrichtereinrichtung, der Zwischenkreisdrossel und/oder der Wechselrichtereinrichtung mittels seitens der Recheneinrichtung laufenden Steuer- und Regelungsalgorithmen gelöst. Die digitalen Ein- und Ausgabebaugruppen ermöglichen dabei über ihre Ein- und/oder Ausgänge die Erfassung bzw. Vorgabe von Steuer- und Regelungsgrößen. Der Stromrichter der Stromrichtereinrichtung, die Drossel der Zwischenkreisdrossel und die Wechselrichter der Wechselrichtereinrichtung sind dabei herkömmlich ausgebildet, die Anschaltung, die Auswertung, die Regelung sowie das Regelverhalten erfolgt jedoch auf digitalem Wege bzw. bei Analog-/Digital-Wandlung auf analogem Wege mit dem Regelungssystem. According to the control tasks in the Converter device, the intermediate circuit choke and / or the inverter device by means of Computing device running control and regulation algorithms solved. The digital input and output modules enable this Acquisition or specification via their inputs and / or outputs of control and regulation variables. The converter of the Power converter device, the choke of the intermediate circuit choke and the inverters of the inverter device are there conventionally designed, the connection, the evaluation, the Regulation as well as the control behavior takes place however digital way or with analog / digital conversion by analog way with the control system.

Die digitale Ausbildung des Regelungssystems erlaubt dabei ein schnelles Bearbeiten der projektierten Aufgaben in Echtzeit, vorteilhafterweise mit bei 100 Mikrosekunden beginnenden Zykluszeiten. Darüber hinaus ist das digitale Regelungssystem durch Verwendung verschiedener Baugruppen modular aufbaubar und erweiterbar. Die Recheneinrichtung des Regelsystems ist durch Modifikation der Steuer- und Regelungsalgorithmen an unterschiedlichste technologische Anforderungen anpaßbar. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist über weitere digitale Ein- und Ausgabebaugruppen auf einfache Art und Weise ein Notbetrieb im Störungsfall realisierbar, vorteilhafterweise derart, daß im Notbetrieb auf Anlasserbetrieb der Asnychronmaschine zurückgeschaltet wird. Dabei wird seitens des Regelungssystems der Betrieb der Asynchronmaschine überwacht und im Fehlerfall die Umschaltung in den Notbetrieb eingeleitet. The digital design of the control system allows it a fast processing of the planned tasks in Real time, advantageously at 100 microseconds beginning cycle times. It is also digital Control system modular by using different assemblies expandable and expandable. The computing device of the Control system is through modification of the tax and Control algorithms for a wide variety of technological requirements adaptable. In a further advantageous embodiment of the Invention is about further digital inputs and Output modules a simple way of emergency operation in the event of a fault feasible, advantageously such that in emergency operation switched back to starter operation of the asnych machine becomes. The operation of the Asynchronous machine monitors and the switchover in the event of a fault initiated in emergency operation.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Regelsystem für eine untersynchrone Stromrichterkaskade mit Baugruppen des Typs SIMADYM D der Firma Siemens realisiert. SIMADYM D stellt vorteilhafterweise Hardware und Software bereit, die ein einheitliches Entwickeln und Implementieren von Regelungskonzepten ermöglicht. Dabei sind vorteilhafterweise komplette Bedien- und Beobachtungsfunktionen mittels entsprechender Programmierung der Recheneinrichtung bereitgestellt, welche über mit dem Regelungssystem verbundener Kommunikationsbaugruppen seitens eines Rechnerarbeitsplatzes mit Bildschirm als Ausgabeeinrichtung und Tastatur und/oder Maus als Eingabeeinrichtung beobachtbar und bedienbar sind. Darüber hinaus erlaubt SIMADYM D auf einfache Art und Weise eine automatische Dokumentation einer Hardware- und Softwareprojektierung, so daß das erfindungsgemäße digitale Regelungssystem für eine untersynchrone Stromrichterkaskade mit einfachen Mitteln an unterschiedliche Anforderungen anpaßbar und um weitere Funktionen ergänzbar ist. In a particularly advantageous embodiment of the invention is the control system for a sub-synchronous Power converter cascade with SIMADYM D modules from Siemens realized. SIMADYM D advantageously provides hardware and Software ready to develop and unify Implementation of control concepts enables. Are there advantageously complete operating and monitoring functions by means of appropriate programming of the computing device provided which over with the control system connected communication modules on the part of one Computer workstation with screen as output device and keyboard and / or mouse observable as input device and are operable. In addition, SIMADYM D allows simple and an automatic documentation of a hardware and Software configuration, so that the digital according to the invention Control system for a sub-synchronous converter cascade with simple means to meet different requirements is adaptable and can be supplemented with further functions.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt die Figur in einem Prinzipschaltplan den Aufbau der erfindungsgemäßen untersynchronen Stromrichterkaskade. Further details, features and advantages of the invention are shown below with the help of the one shown in the figure Embodiment explained in more detail. The figure shows in a basic circuit diagram the structure of the invention sub-synchronous converter cascade.

Die Figur zeigt eine Asynchronmaschine ASM, welche über einen Leistungsschalter 12 mit einem Wechselstromnetzwerk mit einer Spannung von 6 kV und 50 Hz verbunden ist. Über das an Schleifringen herausgeführte läuferseitige Wicklungssystem ist die Asynchronmaschine ASM mit einer Baugruppe 13 - einen Schaltschrank mit Leistungsschaltern vom Typ 3WN6 - verbunden, deren integrierte Schalter 3 und 4 mit einer hier nicht dargestellten Recheneinrichtung des Regelungssystems verbunden sind. Über die Schalter 3 und 4 wird der Betriebsmodus der Asynchronmaschine ASM gesteuert. Zum Anlassen der Asynchronmaschine ASM wird diese über den Anlasserschalter 4 im Umschaltschrank über die Schaltbaugruppe 13 durch Schließen des Anlasserschalters 4 mit einem Anlaßer 1 zum Hochfahren der Asynchronmaschine ASM verbunden. Dabei bleibt der Kaskadenschalter 3 geöffnet. Nach dem Anlassen der Asynchronmaschine ASM wird der Anlasserschalter 4 der Schaltbaugruppe 13 geöffnet und gleichzeitig der Kaskadenschalter 3 der Schaltbaugruppe 13 über die Recheneinrichtung geschlossen. Damit wird die Asynchronmaschine ASM mit der Kaskade 14 verbunden. The figure shows an asynchronous machine ASM, which is connected via a circuit breaker 12 to an AC network with a voltage of 6 kV and 50 Hz. The asynchronous machine ASM is connected to a module 13 - a control cabinet with circuit breakers of the 3WN6 type - whose integrated switches 3 and 4 are connected to a computing device of the control system, not shown, via the rotor-side winding system led out on slip rings. The operating mode of the asynchronous machine ASM is controlled via switches 3 and 4 . To start the asynchronous machine ASM, it is connected to a starter 1 for starting the asynchronous machine ASM via the starter switch 4 in the changeover cabinet via the switch module 13 by closing the starter switch 4 . The cascade switch 3 remains open. After starting the asynchronous machine ASM, the starter switch 4 of the switching module 13 is opened and at the same time the cascade switch 3 of the switching module 13 is closed via the computing device. The asynchronous machine ASM is thus connected to the cascade 14 .

Die Kaskade 14 besteht aus einer Stromrichtereinrichtung 2, welche die in Frequenz und Amplitude schlupfporportionale Läuferspannung der Asynchronmaschine ASM gleichrichtet, einer Zwischenkreisdrossel 5 in einem Zwischenkreis 16 zum Glätten des gleichgerichteten Stroms und einer netzgeführten Wechselrichtereinrichtung 11 zum Rückspeisen der vom Zwischenkreis 16 übertragenen Wirkleistung ins Netz, welche zusammen die untersynchrone Stromrichterkaskade bilden. Die Stromrichtereinrichtung 2, die Zwischenkreisdrossel 5 und die Wechselrichtereinrichtung 11 sind vorliegend als digitale Ein- und Ausgabebaugruppen mit digitalen und analogen Ein- und Ausgängen ausgebildet. Der Stromrichter der Stromrichtereinrichtung, die Drossel der Zwischenkreisdrossel und die Wechselrichter der Wechselrichtereinrichtung sind dabei herkömmlich ausgebildet, die Anschaltung, die Auswertung, die Regelung sowie das Regelverhalten erfolgt jedoch auf digitalem Wege bzw. bei Analog-/Digital-Wandlung auf analogem Wege mit dem Regelungssystem. Seitens der Stromrichtereinrichtung weist die Kaskade 14 vom Kaskadenschalter 3 kommend in Richtung zur Stromrichtereinrichtung 2 eine Überspannungseinrichtung 6 und eine Überstromschutzeinrichtung 9 auf, welche zur Bestimmung von Steuer- bzw. Regelungsgrößen für einen Notbetrieb dienen und über entsprechende Ein- und Ausgabebaugruppen mit der Recheneinrichtung des digitalen Regelungssystems verbunden sind. Weiter weist die untersynchrone Stromrichterkaskade von der Wechselrichtereinrichtung 11 kommend zum Transformator 15 zur Netzeinspeisung hin eine Stromerfassungseinrichtung 8 und eine Isolationsüberwachungseinrichtung 7 auf, welche ebenfalls als digitale Ein- und Ausgabebaugruppen ausgebildet sind und an die Recheneinrichtung Steuer- und/oder Regelungsgrößen für einen Notbetrieb liefern. Zwischen der Stromrichtereinrichtung 2 und der Zwischenkreisdrossel 5 der untersynchronen Stromrichterkaskade ist ein sogenannter Shunt-Widerstand 10 vorgesehen. The cascade 14 consists of a converter device 2 , which rectifies the rotor voltage of the asynchronous machine ASM, which is proportional to the slip and frequency, an intermediate circuit choke 5 in an intermediate circuit 16 for smoothing the rectified current and a network-guided inverter device 11 for feeding back the active power transmitted by the intermediate circuit 16 to the network, which together form the sub-synchronous converter cascade. The converter device 2 , the intermediate circuit choke 5 and the inverter device 11 are designed as digital input and output modules with digital and analog inputs and outputs. The converter of the converter device, the choke of the intermediate circuit choke and the inverters of the inverter device are of conventional design, but the connection, evaluation, regulation and control behavior are carried out digitally or, in the case of analog / digital conversion, using the control system , On the side of the converter device, the cascade 14 , coming from the cascade switch 3 in the direction of the converter device 2, has an overvoltage device 6 and an overcurrent protection device 9 , which are used to determine control or regulating variables for emergency operation and via corresponding input and output modules with the digital computing device Control system are connected. Furthermore, the sub-synchronous converter cascade coming from the inverter device 11 to the transformer 15 for feeding into the grid has a current detection device 8 and an insulation monitoring device 7 , which are also designed as digital input and output modules and deliver control and / or regulation variables to the computing device for emergency operation. A so-called shunt resistor 10 is provided between the converter device 2 and the intermediate circuit choke 5 of the sub-synchronous converter cascade.

Darüber hinaus werden seitens der Recheneinrichtung des digitalen Regelungssystems die Steuer- und Regelungsgrößen der als digitale Ein- und Ausgabebaugruppen ausgebildeten Einrichtungen 6, 7, 8 und 9 dokumentiert. In addition, the control and regulation variables of the devices 6 , 7 , 8 and 9 designed as digital input and output modules are documented by the computing device of the digital control system.

Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. The embodiment shown in the figure serves merely the explanation of the invention and is not for this limiting.

Claims

1.Digital control system for a sub-synchronous converter cascade with an asynchronous machine (ASM) with a stator-side winding system and a rotor-side winding system led out on slip rings, a converter device ( 2 ) connected to the slip rings, which rectifies the rotor voltage, which is proportional to slip and frequency, and an intermediate circuit choke ( 5 ) for smoothing the rectified current and a network-controlled inverter device ( 11 ) for feeding back the active power transmitted from the intermediate circuit into the network, the converter device ( 2 ), the intermediate circuit choke ( 5 ) and / or the inverter device ( 11 ) as digital input and output modules digital and / or analog inputs and outputs are formed, which are connected to at least one computing device, preferably designed as a module, for controlling and / or regulating the input and output modules ( 2 , 5 , 11 ) n, the computing device realizing control and / or regulation tasks of the digital input and output modules ( 2 , 5 , 11 ) by means of algorithms.

2. Control system according to claim 1, characterized in that the input and output modules ( 2 , 5 , 11 ) are designed as modules of the SIMADYM D control system.

3. Control system according to claim 1 or claim 2, characterized in that emergency operation can be realized with the aid of further input and output modules ( 13 ), the asynchronous machine (ASM) being switchable to a starter ( 1 ) in the event of a fault.