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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren und eine Steuervorrichtung
für eine
mit Netzfrequenz getaktete steuerbare Ein-/Rückspeiseeinheit eines Spannungszwischenkreis-Umrichters bei kurzzeitigen
Netzeinbrüchen
eines speisenden Netzes.
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Ein
gattungsgemäßer Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 ist
in der 1 näher
dargestellt. Gemäß dieser
dargestellten Ausführungsform
weist der Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 netzseitig eine
steuerbare Ein-/Rückspeiseeinheit 4 und
lastseitig einen selbstgeführten
Pulsstromrichter 8 auf. Gleichspannungsseitig sind diese
Ein-/Rückspeiseeinheit 4 und
der selbstgeführte
Pulsstromrichter 8 mittels eines Spannungszwischenkreises 6 miteinander verkoppelt.
Dieser Spannungszwischenkreis 6 besteht aus einem Zwischenkreiskondensator
CZK und zwei Gleichspannungs-Schienen 12 und 14.
Als steuerbarer Ein-/Rückspeiseeinheit 4 ist
ein mit Netzfrequenz getakteter Stromrichter vorgesehen. Diese Ein-/Rückspeiseeinheit 4 ist
wechselspannungsseitig mit einer Netzdrossel 10 versehen,
die für
jede Netzphase U, V und W eines nicht näher dargestellten Netzes eine
Induktivität
LK aufweist. An den Ausgängen des lastseitigen Pulsstromrichters 8 ist
ein Wechselstrommotor 16, insbesondere ein Asynchronmotor,
angeschlossen.
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Der
netzseitige Stromrichter 4 weist für jede Netzphase U, V und W
zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden D1, D2; D3, D4 und D5,
D6 auf, die derart verschaltet sind, dass eine dreiphasige Gleichrichter-Brückenschaltung
entsteht. Elektrisch parallel zu jeder Diode D1,...,D6 dieses Stromrichters 4 ist
ein elektronisch steuerbarer Schalter T1,...,T6 geschaltet. Als
elektronisch steuerbarer Schalter T1,...,T6 sind abschaltbare Halbleiterschalter,
insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren
(IGBT), vorgesehen.
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Diese
elektronischen Schaltern T1,...,T6 sind mit ihren Steueranschlüssen mit
einer Steuereinrichtung 18 verknüpft. Da der netzseitige Stromrichter
mit Netzfrequenz getaktet wird, sind die Phasenspannungen UU, UV und UW eines nicht näher dargestellten speisenden
Netzes dieser Steuereinrichtung 18 zugeführt.
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Die
Phasenspannungen UU, UV und
Uw des speisenden Netzes sind in der 2 in einem
Diagramm über
der Zeit t dargestellt. Dieser Darstellung kann entnommen werden,
dass zu den Zeitpunkten t1,...,t6 jeweils ein Schnittpunkt K1,...,K6
zweier Phasenspannungen auftreten. Diese Schnittpunkte K1,...,K6
sind die natürlichen
Kommutierungsschnittpunkte eines ungesteuerten Gleichrichters. Eine
vom netzseitigen Stromrichter 4 erzeugte Zwischenkreisspannung
uZK ist ebenfalls im Diagramm der 2 über der
Zeit t dargestellt. Zu diesen Zeitpunkten t1,...,t6 geht jeweils
eine zu den zwei beteiligten Phasenspannungen UW,
UU; UV, UW; UU, UV;
UW, UU; UV, UW und UU, UV korrespondierende
verkettete Spannungen durch Null. D.h., um diese natürlichen
Kommutierungszeitpunkte t1,...,t6 zu ermitteln, müssen die
Nulldurchgänge
der verketteten Spannungen UUV, UVW und UWU ermittelt
werden.
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Damit
dieser netzseitige Stromrichter 4 Energie in das speisende
Netz zurückspeisen
kann, werden die elektronisch steuerbaren Schalter T1,...,T6 korrespondierend
zu den Leitphasen der korrespondierenden Dioden D1,...,D6 eingeschaltet.
Dazu werden Steuersignale ST1,...,ST6 benötigt,
die in der 3 jeweils in einem Diagramm über der
Zeit t dargestellt sind. Diese Steuersignale ST1,...,ST6 stehen jeweils an den Steuerausgängen der
Steuereinrichtung 18 an. Z.B. ist das Potential des Steuersignals ST1 für
die Zeit zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 high. In dieser Zeitspanne
t3 – t1
ist die Phasenspannung UU positiver als
die Phasenspannung UV und UW.
Solan ge die Phasenspannung UV positiver
als die Phasenspannung UU und UW ist,
ist das Potential des korrespondierenden Steuersignals ST3 high. Gemäß diesem Schema erhält man alle
Steuersignale ST1 bis ST6.
Diese Steuersignale ST1 bis ST6 bewirken bei
diesem dargestellten netzseitigen Stromrichter 4, dass
die elektronisch steuerbaren Schalter T1,...,T6 genau zu den Stromführungszeiten,
die durch die natürlichen
Kommutierungszeitpunkte K1,...,K6 bestimmt sind, der Dioden D1 bis
D6 dieses Stromrichters 4 leitend sind. Dadurch sind zu
diesen Zeiten t1,...,t6 nicht nur die Dioden D1 bis D6 für einen
Energiefluss vom Netz zu den Gleichspannungs-Schienen 12 und 14 leitend,
sondern auch die elektronisch steuerbaren Schalter T1,...,T6 für einen
Energiefluss von den Gleichspannungs-Schienen 12 und 14 zu
einem speisenden Netz.
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Bei
einer netzgeführten
Ein-/Rückspeiseeinheit 4,
die ihre Steuersignale ST1,...,ST6 für
ihre elektronisch steuerbaren Schalter T1,...,T6 nur anhand der
Winkellage eines angeschlossenen speisenden Netzes ableiten, entsteht
bei Einbrüchen
der Netzspannung ein Fehlverhalten. Da bei dieser Art von Ein-/Rückspeiseschaltung
die Zwischenkreisspannung uZK im Spannungszwischenkreis 6 ein
Abbild der gleichgerichteten Netzspannung ist, stellt sich in diesem
Fall auch die Zwischenkreisspannung uZK auf die
zusammenbrechende Netzspannung ein. Ursache hierfür ist, dass
die Steuereinrichtung 18 dieses netzgeführten Stromrichters 4 den
nichtregulären
Betriebsfall nicht erkennen kann. Um einen derartigen nichtregulären Betriebsfall
erkennen zu können, müssen die
Netzphasenspannungen UU, UV und
UW amplitudenmäßig ausgewertet werden. Da
bei dieser Steuereinrichtung 18 nur die Phasen der Netzspannungen
UU, UV und UW für
die Generierung der Steuersignale ST1,...,ST6 benötigt
werden, kann ein derartiger Netzfehler nicht erkannt und entsprechend
auch keine Gegenmaßnahmen
ergriffen werden.
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Beim
Auftreten eines kurzzeitigen Netzeinbruches (<20msec) auf einer oder mehrerer Phasen, führt der
netzseitige Strom richter 4 unabhängig von einer angeschlossenen
Last die Zwischenkreisspannung uZK der Netzspannung
nach. Dabei wird fälschlicherweise
Energie vom Zwischenkreiskondensator CZK des
Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 in das speisende Netz
zurückgespeist.
Dadurch sinkt die Amplitude der Zwischenkreisspannung uZK sehr schnell
ab. Sobald die Amplitude der Zwischenkreisspannung uZK einen
vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, wird der Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 wegen
Unterspannung im Spannungszwischenkreis 6 abgeschaltet,
da für
den einwandfreien Betrieb des selbstgeführten Pulsstromrichters 8 keine ausreichende
Spannung/Energie mehr vorhanden ist.
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Mit
der Fehlermeldung "Unterspannung" wird eine Schutzabschaltung
des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 aktiviert. Bei
Wiederkehr der Netzspannung, beispielsweise nach maximal 20msec,
hat die Schutzabschaltung noch nicht angesprochen, da diese mehr
als 20msec für
die Umsetzung des Abschaltsignals benötigt. Dadurch fließt zunächst ein
hoher Ladestrom in den Zwischenkreiskondensator CZK.
Nach einer Zeitspanne, die größer als
20msec ist, spricht die Schutzabschaltung an, so dass der Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 nun abschaltet.
Somit wird ein Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 mit einer
mit Netzfrequenz getakteten steuerbaren Ein-/Rückspeiseeinheit 4 durch
einen dreiphasigen Netzeinbruch abgeschaltet. Da nicht in allen
Ländern,
wo derartige Umrichter für
Antriebsaufgaben verwendet werden, ein stabiles Netz vorhanden ist,
steigt die Gefahr von Schutzabschaltungen eines derartigen Umrichters 2 in
derartig schwachen Netzen an.
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Aus
der
DE 196 17 048
C1 ist ein Verfahren zur Energierückspeisung für einen
Puls-Umrichter mit Spannungs-Zwischenkreis bekannt. Dieser Puls-Umrichter
weist als Netzstromrichter einen Diodengleichrichter auf, deren
Dioden jeweils ein IGBT antiparallel geschaltet sind, die bei entsprechender Steuerung
den Rückstrom übertragen.
Da diese IGBTs und Dioden mittels eines handelsüblichen IGBT-Blocks realisiert
werden, und eventuell die in diesem IGBT-Block verwendeten Dioden
nur als Freilaufdioden ausgelegt sind, werden auftretende Stromspitzen
nicht immer beherrscht. Zur Verbesserung des Stoßstromverhaltens am Netz ist
dem Netzstromrichter eine Diodenbrücke bestehend aus sechs Netzdioden
elektrisch parallel geschaltet. Die Ankopplung dieser Diodenbrücke an den
Netzstromrichter erfolgt über
eine stromkompensierte Drossel. Die drei auf positivem Gleichspannungspotential
liegenden IGBTs werden stromunabhängig stets netzsynchron, jeweils
für eine
Zeitdauer von 120° der Netzspannung,
angesteuert. Die drei auf negativem Gleichspannungspotential liegenden
IGBTs werden nur dann, ebenfalls netzsynchron, angesteuert, wenn durch
Energierückspeisung
aus dem Maschinenstromrichter die Zwischenkreisspannung am Zwischenkreiskondensator über einen
eingestellten ersten Ansprechwert ansteigt. Dadurch werden die auf negativem
Gleichspannungspotential liegenden IGBTs stromrichtungsabhängig und
die IGBTs, die auf positivem Gleichspannungspotential liegen, ausschließlich spannungsabhängig und
netzsynchron gesteuert. Damit die auf negativem Gleichspannungspotential
liegenden IGBTs bei Rückspeisung angesteuert
werden können,
wird die Zwischenkreisspannung überwacht. Übersteigt
diese Zwischenkreisspannung einen oberen vorbestimmten Wert, werden
die auf dem negativen Gleichspannungspotential liegenden IGBTs angesteuert.
Dadurch erfolgt eine Energierückspeisung
bei gleichzeitiger Verringerung der Zwischenkreisspannung. Bei einer
zweiten geringeren Spannung wird die Steuerung dieser IGBTs unterbrochen.
Wie der Betrieb dieses Puls-Umrichters bei Netzeinbrüchen aufrechterhalten
werden soll, ist diesem Patent nicht entnehmbar.
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Aus
der
DE 195 09 658
C2 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Netzausfallsignals
bei einem Antriebsregelgerät
bekannt. Zur Erkennung des Spannungsniveaus auf der Seite des Dreiphasen-Wechselstromnetzes
wird die ungeglättete
Ausgangsspannung des netzseitigen Dioden-Gleichrichters verwendet,
d.h. die ungeglättete, gleichgerichtete
Netzspannung. Diese pulsierende Gleichspannung wird mit einem oberen
und einem unteren Schwellwert verglichen. Unterschreitet diese pulsierende
Gleichspannung den unteren Schwellwert, so wird dadurch das Absinken
der Netzspannung auf ein unzulässiges
Niveau detektiert und ein Netzausfallsignal erzeugt. Wird die obere
Schwelle überschritten,
so wird die Netzwiederkehr der Netzspannung detektiert. Mittels
dieses Netzausfallsignals wird ein Antriebsverband stillgesetzt.
Bei so genannten weichen Netzen bewirkt ein Absinken der Netzspannung
ein Pendeln des Netzausfallsignals, da durch den generatorischen
Betrieb des Antriebsverbandes das schwache Netz entlastet wird und
die Netzspannung wieder ansteigt. Damit dieses Pendeln des Netzausfallsignals
nicht zur Stillsetzung des Antriebsverbandes führt, wird eine Zeitstufe mit
einer vorbestimmten Zeitkonstante verwendet. Auch diesem Patent
ist nicht entnehmbar, wie der Betrieb eines Spannungszwischenkreis-Umrichters
bei Netzeinbrüchen
aufrechterhalten werden kann.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren und
eine Steuervorrichtung für
eine mit Netzfrequenz getaktete steuerbare Ein-/Rückspeiseeinheit
eines Spannungszwischenkreis-Umrichters anzugeben, wodurch der Betrieb des
Spannungszwischenkreis-Umrichters bei Netzeinbrüchen aufrechterhalten werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird jeweils erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs
1 (Verfahren) und mit den Merkmalen des Anspruchs 4 (Vorrichtung)
gelöst.
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Dadurch,
dass aus einer gemessenen Zwischenkreisspannung des Spannungszwischenkreis-Umrichters
mit Hilfe deren ermittelten Mittelwert ein Differenzwert bestimmt
werden kann, der den Abbau der Zwischenkreisspannung wiedergibt,
ist man in der Lage, einen Netzeinbruch feststellen zu können. Unterschreitet
dieser ermittelte Differenzwert einen vorbestimmten Grenzwert, so
wird ein Sperrsignal für
die Steuersignale der elektronisch steuerbaren Schalter des netzseitigen
Stromrichters ausgegeben. Dadurch werden diese Schalter nicht mehr
angesteuert, so dass eine Energierückspeisung unterbunden ist.
Die Folge ist, dass die Zwischenkreisspannung nicht weiter absinkt,
zumindest nicht mit der zuvor auftretenden Geschwindigkeit. Dadurch wird
eine Sicherheitsabschaltung infolge einer Unterspannung nicht mehr
ausgelöst,
so dass bei Wiederkehr der Netzspannung der Spannungszwischenkreis-Umrichter
seinen ordnungsgemäßen Betrieb fortsetzen
kann. Mit diesem erfindungsgemäßen Steuerverfahren
wird die Robustheit dieses Spannungszwischenkreis-Umrichters gegen
Netzeinbrüchen
wesentlich verbessert, wodurch die Verwendung eines derartigen Umrichters
in schwachen Netzen keine Gefahr mehr darstellt.
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Dadurch,
dass aus der gemessenen Zwischenkreisspannung mittels zweier Tiefpassfilter
mit unterschiedlichen Zeitkonstanten ein langfristiger Mittelwert
und eine sich im Betrieb ständig ändernde Zwischenkreisspannung
gebildet wird, kann nun mittels eines Differenzbildners die Veränderung
der Zwischenkreisspannung festgestellt werden. Dieser gebildete
Differenzwert wird mittels einer nachgeschalteten Auswerteschaltung
bewertet. Dazu dient ein vorbestimmter Grenzwert, der vorteilhafterweise
größer als
ein vorbestimmter Minimalwert der Zwischenkreisspannung ist. Ausgangsseitig
ist diese Auswerteschaltung mit den Steuereingängen der Steuereinrichtung
der elektronisch steuerbaren Schalter des netzseitigen Strom richters
des Spannungszwischenkreis-Umrichters verbunden. Wird der Grenzwert
unterschritten, werden die Steuerausgänge gesperrt. Somit erhält man eine
sehr einfach aufgebaute Steuervorrichtung, um beim Auftreten von
Netzeinbrüchen
umgehend eine Gegenmaßnahme
(sperren der Steuersignale) ergreifen zu können.
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Zur
näheren
Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
schematisch veranschaulicht ist.
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1 zeigt
einen bekannten Spannungszwischenkreis-Umrichter, in der
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2 sind
in einem Diagramm über
der Zeit t die Netzspannungen eines speisenden Netzes und eine erzeugte
Zwischenkreisspannung dargestellt, in der
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3 sind
jeweils in einem Diagramm über der
Zeit t die Steuersignale der elektronisch steuerbaren Schalter des
netzseitigen Stromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters nach 1 dargestellt,
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4 zeigt
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung und in
der
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5 ist
eine Realisierung dieser erfindungsgemäßen Steuervorrichtung dargestellt.
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Das
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung 20 nach 4 weist
eingangsseitig eine Einrichtung 22 zur Messung der Zwischenkreisspannung
uZK des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 nach 1 und
ausgangsseitig eine Auswerteeinrichtung 24 auf, die ausgangsseitig mit
einem Eingang 26 der Steuereinrichtung 18 (1)
für die
elektronisch steuerbaren Schalter T1,...,T6 der steuerbaren Ein-/Rückspeiseeinheit 4 des
Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 nach 1 verknüpft ist.
Ausgangsseitig ist die Einrichtung 22 mit Eingängen zweier
Tiefpassfilter 28 und 30 verbunden. Diese beiden
Tiefpassfilter 28 und 30 unterscheiden sich dadurch
voneinander, dass deren Zeitkonstanten τ1 und τ2 unterschiedlich sind.
Dabei ist die Zeitkonstante τ1 des Tiefpassfilters 28 um ein vielfaches,
beispielsweise zehnmal größer, als
die Zeitkonstante τ2 des Tiefpassfilters 30. Deshalb
stehen am Ausgang des Tiefpassfilters 28 ein Mittelwert U ZK der
gemessenen Zwischenkreisspannung uZK und
am Ausgang des Tiefpassfilters 30 die sich im Betrieb ständig ändernde
Zwischenkreisspannung uZK an. Ausgangsseitig
sind diese beiden Tiefpassfilter 28 und 30 jeweils
mit einem Eingang eines Differenzbildners 32 verknüpft. Ausgangsseitig
ist dieser Differenzbildner 32 mit einem Eingang der Auswerteeinrichtung 24 verbunden.
An einem zweiten Eingang dieser Auswerteeinrichtung 24 steht
ein vorbestimmter Grenzwert UDZKG.an. Unterschreitet
der berechnete Differenzwert uDZK diesen
vorbestimmten Grenzwert UDZKG, so steht
am Ausgang 34 der Auswerteeinrichtung 24 ein Sperrsignal
SPS an, dass der Steuereinrichtung 18 zugeführt wird.
Dieser vorbestimmte Grenzwert UDZKG ist
so bemessen, das dieser noch größer ist
als ein gerätespezifischer
Minimalwert der Zwischenkreisspannung uZK.
Dadurch wird sichergestellt, dass die Gegenmaßnahme noch rechtzeitig vor
einer Sicherheitsabschaltung wegen Unterspannung greifen kann.
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Mittels
der beiden Tiefpassfilter 28 und 30 erhält man aus
der gemessenen Zwischenkreisspannung uZK des
Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 einen langfristigen
Mittelwert U ZK der
sich im Betrieb ständig ändernden
Zwischenkreisspannung uZK und eine Zwischenkreisspannung
u'ZK,
die der sich relativ schnell ändernden
gemessenen Zwischenkreisspannung uZK folgt.
Mit dem langfristigen Mittelwert U ZK erhält
man eine Bezugsgröße für die Zwischenkreisspannung
uZK, mit deren Hilfe festgestellt werden kann,
ob und wie weit sich die Zwischenkreisspannung u'ZK zum langfristigen
Mittelwert U ZK ändert. Damit
eine Aussage hinsichtlich einer kurzzeitigen Netzunterbrechung gemacht
werden kann, wird ein Grenzwert UDZKG benötigt. Unterschreitet
der ermittelte Differenzwert uDZK diesen
vorbestimmten Grenzwert UDZKG, so liegt
netzseitig ein Netzeinbruch vor. Aufgrund dieser Feststellung wird
umgehend mit tels des Sperrsignals SPS die
Abgabe der Steuersignale ST1,...,ST6 an die korrespondierenden Steuereingänge der
elektronisch steuerbaren Schalter T1,...,T6 gesperrt. Damit sind
diese elektronisch steuerbaren Schalter T1,...,T6 ausgeschaltet,
wodurch ein Strompfad vom Zwischenkreiskondensator CZK zum
speisenden Netz des Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 unterbrochen
ist. Somit kann der Zwischenkreiskondensator CZK nur
noch durch den Betrieb des Drehstrommotors 16 entladen
werden. Diese Entladung erfolgt jedoch um ein vielfaches langsamer. Durch
diese Gegenmaßnahme
fährt bei
Wiederkehr der Netzspannung der Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 umgehend
in den Betriebspunkt vor der Netzunterbrechung. Da bei diesem auftretenden
Netzfehler nie die Gefahr besteht, dass die Zwischenkreisspannung
uZK unter einem vorbestimmten Minimalwert
absinkt, wird eine Sicherheitsabschaltung wegen Unterspannung nicht
aktiviert.
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Die 5 zeigt
eine mögliche
Realisierung der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
nach 4. Bei dieser Realisierung handelt es sich um eine
Operationsverstärkerschaltung.
Um die Differenzbildung belastungsfrei vornehmen zu können, sind
den beiden Tiefpassfiltern 28 und 30 ausgangsseitig
jeweils ein Impedanzwandler 36 und 38 nachgeschaltet.
Die Ausgänge
dieser beiden Impedanzwandler 36 und 38 sind jeweils
mit einem Eingang des Differenzbildners 32 verknüpft. Als
Differenzbildner 32 ist hier ein verstärkender Subtrahierer vorgesehen.
Die Tiefpassfilter 28 und 30 sind in dieser Realisierung
bedämpft
ausgeführt.
Dies wird dadurch erreicht, dass jeweils elektrisch parallel zum Kondensator
C1 und C2 jeweils ein Bedämpfungswiderstand
RD geschaltet ist. Die Widerstände R1 und R2
und die Kapazitätswerte
der Kondensatoren C1 und C2 dieser beiden Tiefpassfilter 28 und 30 sind derart
bemessen, dass die Zeitkonstante τ1 des Tiefpassfilters 28 wesentlich
größer (τ1>10·τ2) als
die Zeitkonstante τ2 des Tiefpassfilters 30 ist. Durch
diese Dimensionierung erhält
man aus einer gemessenen sich ständig ändernden
Zwischenkreisspannung uZK einer seits den
zugehörigen
Mittelwert U ZK und
die sich ändernde
Zwischenkreisspannung uZK.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein bekannter Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 gemäß 1 wesentlich
robuster gegen Netzspannungseinbrüche. Dadurch wird ein Ausfall
eines derartigen Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 verhindert.
Da die Zwischenkreisspannung uZK jetzt nicht mehr
durch die Ein-/Rückspeiseeinheit 4 des
Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 selbst
nach unten gezogen wird, läuft
dieser Umrichter 2 nun ohne Störung weiter. Außerdem ist
die zugehörige
Steuervorrichtung 20 sehr funktionssicher und preisgünstig.