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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet von drehzahlveränderbaren Antriebssystemen
mit untersynchronen Stromrichterkasdaden.
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Die
Erfindung betrifft eine Stromrichterkaskaden-Anordnung mit einer
von einem Netz gespeisten Drehstrom-Asynchronmaschine, mit einer
Stromrichterkaskade, welche einen maschinenseitigen Gleichrichter
und einen netzseitigen selbstgeführten Wechselrichter
umfasst, wobei der Gleichrichter und der Wechselrichter über einen
Spannungszwischenkreis gekoppelt sind, und mit einem mit dem Wechselrichter
verbundenen Anpasstransformator, über den Energie in das Netz
zurückspeisbar
ist.
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Bei
einer Stromrichterkaskade, insbesondere einer untersynchronen Stromrichterkaskade,
wird eine Drehzahl eines Drehstrom-Asynchronmotors mit Schleifringläufer mit
Hilfe eines im Läuferkreis
eingesetzten und aus einem ungesteuerten Gleichrichter und einem
netzgeführten
Wechselrichter bestehenden Umrichters nahezu verlustfrei geregelt.
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Soll
eine Drehstrom-Asynchronmaschine an einem Drehstromnetz konstanter
Spannung und Frequenz betrieben und in ihrer Drehzahl geregelt werden,
so ist das vorzugsweise durch Einschalten einer Gegenspannung in
den Läuferkreis
der beispielsweise als Motor betriebenen Asynchronmaschine möglich. Diese
Spannung wirkt der im Läufer
induzierten Läuferspannung
entgegen, deren Größe vom Schlupf,
d.h. von der relativen Abweichung der Betriebsdrehzahl von der synchronen
Drehzahl, abhängt.
Eine gleichgerichtete Läuferspannung
nimmt, ausgehend von ihrem höchsten
Wert bei Stillstand, mit steigender Drehzahl linear ab und erreicht
den Wert Null bei einer synchronen Drehzahl. Wird die Drehzahl des
Motors mit Hilfe von Stellwiderständen gesteuert, so wird die
Gegenspannung durch einen stromabhängigen Spannungsabfall an Verlustwiderständen gebil det.
Diese Methode ist jedoch wegen der relativ hohen Verluste in den
Verlustwiderständen bzw.
Stellwiderständen
bei einer längeren
Abwärtssteuerung
der Drehzahl unwirtschaftlich. Bei einer Drehzahlsteuerung mit Stellwiderständen wird
die Schlupfleistung in den Widerständen in Wärme umgesetzt und geht so einer
weiteren Nutzung verloren. Bei der untersynchronen Stromrichterkaskade
wird die an den Schleifringen abgenommene Schlupfleistung durch
den Gleichrichter in Gleichstromleistung umgeformt und durch den
Wechselrichter als Drehstromleistung in das Netz zurückgespeist.
Als Summenleistung wird dem Drehstromnetz somit nur die an der Welle
der Maschine abzugebende Leistung einschließlich eines geringeren Maschinenverlusts und
eines vernachlässigbaren
Verlusts bei der Rückspeisung
entnommen.
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Aus
der
DE 33 44 808 A1 ,
DE 29 43 735 A1 und
DE 197 35 742 A1 sind
Anordnungen und Verfahren für
eine Drehzahlregelung mit einer Stromrichterkaskade bekannt. Nachteilig
an diesen Anordnungen ist, dass ein im Wechselrichterbetrieb arbeitender
Stromrichter unter bestimmten Voraussetzungen empfindlich gegen
Netzspannungseinbrüche
etwa in Form von Wechselrichterkippen reagiert, z.B. dann, wenn
die von ihm erzeugte größte Gegenspannung nicht
mehr ausreicht, um der treibenden Spannung entgegenzuwirken. Des
Weiteren ist es nachteilig am Stand der Technik, dass Netzrückwirkungen
durch den Betrieb der Anordnung das einspeisende Netz stören.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mögliche Netzrückwirkungen
gering gehalten bzw. gänzlich
unterdrückt
werden und dass ein Wechselrichterkippen bei Netzausfall nicht auftritt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
bei der eingangs genannten Stromrichterkaskaden-Anordnung der Gleichrichter
mindestens einen ein- und abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter
aufweist. Durch ein gezieltes schnelles Ansteuern und Ansprechen
der Leistungshalbleiterschalter werden nahezu sinusförmige Ströme und Spannungen
erzeugt. Dies ist von besonderem Vorteil, weil so ein Oberschwingungsgehalt
der Spannungen nahezu gegen Null geht.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Stromrichterkaskade
für einen
untersynchronen Betrieb relativ zur Drehstrom-Asynchronmaschine ausgebildet.
Mit Vorteil findet eine untersynchrone Stromrichterkaskade vor allem
da Anwendung, wo kleine Drehzahlschwankungen bereits große Drehmomentänderungen
bedingen, z.B. bei Pumpen oder Lüftern.
In anderen Anwendungsfällen
kann jedoch auch ein übersynchroner
Betrieb möglich
sein.
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Zweckmäßig ist,
dass der mindestens eine Leistungshalbleiterschalter als ein Insulated-Gate-Bipolare-Transistor
(IGBT) ausgebildet ist. Ein IGBT besteht im Wesentlichen aus einem
Transistor und ist im Gegensatz zu Thyristoren oder herkömmlichen Halbleiterschaltern
in allen Betriebszuständen
voll steuerbar. Dadurch können
die kritischen Ein- und Ausschaltvorgänge soweit verlangsamt werden, dass
ein IGBT ausgesprochen anwendungsfreundlich wird. Es werden keine
aufwendigen Schutzbeschaltungen benötigt. Parallelschaltungen auf
Bauelementebene sind problemlos möglich. Eine Steuerung der Bauelemente
erfolgt durch Spannungssignale auf sogenannte MOS-Eingange (Metal-Oxide-Semiconductor),
weshalb die Steuerleistung sehr gering ist. Typisch reichen 1 bis
2W aus. Dies gilt speziell bei einer Reihenschaltung von Elementen, wie
sie beispielsweise in der Hochspannungsgleichstromübertragung
auftreten, denn die Speisung der Steuereinheiten ist in Hochspannungs-Systemen technisch
aufwendig und teuer. Wenn ein Kurzschluss im Leistungskreis entsteht,
beispielsweise durch den Ausfall einer Motorwicklung, begrenzt der IGBT
den Strom automatisch auf einen Wert in der Größenordnung des 2 bis 10-fachen des Nennstromes.
Der Kurzschluss kann dann innerhalb von wenigen Millisekunden über den
normalen Steuereingang sicher abgeschaltet werden, ohne dass der
IGBT Schaden nimmt.
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Vorzugsweise
ist der Wechselrichter mit einer Frequenz von 3 kHz, vorzugsweise
2 bis 4 kHz, taktbar. Mit Vorteil ist die Taktfrequenz für eine Regelgüte einer
drehmomentbildenden Komponente des Antriebs einstellbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Anpasstransformator
als ein Drei-Wicklungstransformator ausgebildet. Dies ermöglicht,
dass der Anpasstransformator mit dem Wechselrichter über eine
Steuerleitung verbunden ist. Mit dieser Steuerleitung werden auf
vorteilhafte Art und Weise Phasen- und Spannungswerte zur Steuerung
des Wechselrichters genutzt.
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Mit
Vorteil ist zwischen dem Wechselrichter und dem Anpasstransformator
ein Netzfilter geschaltet. Der Gegenstand der Erfindung kann damit
die bereits erwähnten
störenden
Netzrückwirkungen
weiter mindern.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromrichterkasdaden-Anordnung weist
der Wechselrichter zumindest einen Insulated-Gate-Bipolar-Transistor
auf. Hierdurch werden die oben beschriebenen Vorzüge von IGBTs
auch im Wechselrichter genutzt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
sowie weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen
Zeichnungen, in deren
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1 ein
Schaltschema einer erfindungsgemäßen Stromrichterkaskaden-Anordnung,
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2 ein
Schaltbild einer Stromrichterkaskade der Anordnung aus 1
schematisch
veranschaulicht ist.
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Einander
entsprechende Teile sind in den 1 bis 2 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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Gemäß 1 umfasst
eine Stromrichterkaskade 1 einen maschinenseitigen Gleichrichter 6,
einen Spannungszwischenkreis 8 mit einem Zwischenkreis-Kondensator 8a und
einen netzseitig selbstgeführten
Wechselrichter 10. Die Stromrichterkaskade 1 ist
für den
untersynchronen Regelungsbetrieb einer Drehstrom-Asynchronmaschine 2 mit Schleifringläufer 4 hergerichtet.
Die Drehstrom-Asynchronmaschine 2 wird über ein Netz-Schaltelement 17 an
ein Drehstromnetz 13 angeschlossen. Die Drehstrom-Asynchronmaschine 2 erhält so ihre
Energie für
eine zu verrichtende Arbeitsleistung. Die Stromrichterkaskade 1 ist
mit ihrem Gleichrichter 6 über ein erstes Schaltelement 18 mit
dem Schleifringläufer 4 der
Drehstrom-Asynchronmaschine 2 verbunden. Zur Entstörung ist
zwischen dem ersten Schaltelement 18 und dem Gleichrichter 6 zusätzlich ein
Eingangsfilter 16' angeordnet.
Der Eingangsfilter 16' besteht
aus zwei Längsinduktivitäten und
einem Kondensator. Über
einen Transformator 11, welcher drei-phasig mit dem Schleifringläufer 4 verbunden
ist, werden dem Gleichrichter 6 zur Steuerung seiner Halbleiterleistungsschalter
T1 bis T6 (vergleiche 2) Phasen- und Spannungswerte
einer Schleifringläufer-Spannung
zugeführt.
Der Gleichrichter 6 arbeitet mit der vorgeschalteten Induktivität des Eingangsfilters 16' als ein Hochsetzsteller.
Der Hochsetzsteller arbeitet in Richtung Spannungszwischenkreis 8.
Der Gleichrichter 6 ist als ein selbstgeführter Stromrichter
hergerichtet und erhält
die Spannung und die Spannungsphasenlage über den Transformator 11 als
Istwerte der Läuferspannung
des Schleifringläufers 4.
Die bei einer untersynchronen Drehzahl der Drehstrom-Asynchronmaschine 2 an den
Schleifringläufer 4 anfallende
Schlupfleistung wird in dieser Schaltungsanordnung nahezu verlustlos über den
Gleichspannungszwischenkreis 8 und den Wechselrichter 10 mittels
eines Anpasstransformators 12 wieder in das Drehstromnetz 13 zurückgespeist.
Eine Drehzahlverstellung der Drehstrom-Asynchronmaschine 2 wird
hierbei durch Änderung
einer steuerbaren Zwischenkreisspannung UZK des
ebenfalls selbstgeführten
Wechselrichters 10 erreicht. Es wirkt also die Zwischenkreisspannung UZK als Gegenspannung des Gleichrichters 6 zur Läuferspannung. Über eine
Steuerleitung 14 werden dem Wechselrich ter 10 Steuersignale
oder auch Istwerte in Form von Spannungs- und Phasenwerten, welche
dem Anpasstransformator 12 abgegriffen werden, zugeführt. Ein
zwischen Wechselrichter 10 und Anpasstransformator 12 angeordneter
Netzfilter 16 sorgt für
eine geringe Netzrückwirkung.
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Durch
ein schnelles Schalten von IGBTs T1 bis T6 (vergleiche 2)
in dem Gleichrichter 6 werden nahezu sinusförmige Netzströme und Spannungen
erzeugt, welche in Zusammenwirkung mit dem Netzfilter 16 weiter
von störenden
Anteilen befreit werden. Des Weiteren wird durch das zielgerichtete Schalten
ein Leistungsfaktor cos φ von
nahezu Eins erreicht. Zusätzlich
wird eine Antriebseinheit kippsicher, beispielsweise in schwachen
Netzen und auch bei Netzwischern oder Netzausfall.
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Nach 2 umfasst
die bekannte Stromrichterkaskade 1 einen Gleichrichter 6 und
einen Wechselrichter 10. Der Gleichrichter 6 ist
mittels Insulated-Gate-Bipolare-Transistoren (IGBTs) T1 bis T6 aufgebaut.
Der Gleichrichter 6 ist mit dem Wechselrichter 10 derart über den
Spannungszwischenkreis 8 wirkverbunden, dass die Zwischenkreisspannung UZK regelbar ist. Eine Ausgangsseite des Gleichrichters 6 bildet
also mit einer Eingangsseite des Wechselrichters 10 den
Spannungszwischenkreis 8.
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Der
Wechselrichter 10 ist ebenfalls wie der Gleichrichter 6 mittels
IGBTs T7 bis T12 aufgebaut. Beide Leistungsteile sind identisch
aufgebaut, was wiederum Vorteile bei Service und Wartung hat. Sowohl
beim Gleichrichter 6 als auch beim Wechselrichter 10 ist
jedem IGBT eine Freilaufdiode D1 bis D12 zugeordnet. Die Freilaufdiode
D liegt jeweils in einer Antiparallelschaltung zur Emitter-Kollektorstrecke des
jeweiligen Transistors T. Die Freilaufdioden D1 bis D12 ermöglichen
ein Führen
eines Scheinstromes nach dem Abschalten eines IGBTs T1 bis T12 und
hierdurch eine gegebenenfalls gewollte Phasenverschiebung von Spannung
und Strom.
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Im
Gegensatz zu konventionell aufgebauten Gleich- bzw. Wechselrichtern
beispielsweise mit Dioden- und/oder Thyristoreinspeisung können hier durch
den erfindungsgemäßen Einsatz
von IGBTs T1 bis T12 die Netzrückwirkungen
deutlich herabgesetzt werden, indem der Gleichrichter 6 bzw.
der Wechselrichter 10 über
die aus 1 bekannten Steuerleitungen
geführt
wird.
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Ein
besonderer Vorteil dieser Anordnung ist, dass im Wesentlichen ein
Leistungsfaktor cos φ von annähernd Eins,
vorzugsweise im Bereich von 0,99 bis 0,9, erreichbar ist. Für eine gewollte
Drehzahlregelung der Drehstrom-Asynchronmaschine 2 bei
dieser Anordnung ist es von Vorteil, dass die Zwischenkreisspannung
UZK bzw. die Gleichrichtereingangsspannung
als eine Stellgröße für die Drehzahl
der Drehstrom-Asynchronmaschine 2 einsetzbar ist.
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Weitere
für die
Erfindung wesentliche Gedanken sind folgende: Diese Art der Stromrichterkaskaden-Anordnung
wird auch Active-Front-End-Einheit (AFE) genannt. Typische AFE-Merkmale
sind: Netzrückspeisung
im Vierquadrantenbetrieb, sinusförmiger
Netzstrom, geringe Netzrückwirkungen, kein
Wechselrichterkippen bei Netzausfall im Rückspeisebetrieb, Ausregelung
von Netzspannungsschwankungen, eine hohe Antriebsdynamik, die Wahl
eines Leistungsfaktors.
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Bei
Netzausfall im Rückspeisebetrieb
wird ein Wechselrichterkippen verhindert. Ein AFE eignet sich bestens
für die
Rückspeisung
ins Netz, insbesondere bei schwachen Netzen. Durch das aktive Abschalten
gibt es auch im Generatorbetrieb kein Wechselrichterkippen. Der
selbstgeführte,
mit 3 kHz getaktete Stromrichter schaltet netzunabhängig den Strom
ab. Auch bei kurzzeitigen Netzunterbrechungen im ms-Bereich wird
der Betrieb aufrechterhalten.
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Netzspannungsschwankungen
werden ausgeregelt. Der AFE-Stromrichter arbeitet als Hochsetzsteller
mit einer Zwischenkreisspannung UZK, die über dem
Scheitelwert der Netzspannung liegt. Bei Netzen 13 mit
starken Spannungsschwankungen kann so die in ihrer Höhe parametrierbare
Zwischenkreisspannung UZK konstant gehalten
werden.
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Spannungsschwankungen
können
standardmäßig bis
auf 65 % der Netzanschlussspannung ausgeregelt werden. Je nach Arbeitspunkt
der Maschine 2 sind deutlich größere Spannungsschwankungen ausregelbar.