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Die
Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung zum Betrieb eines Gleichstrommotors
mit elektrisch betätigter
Haltebremse, insbesondere für
die Verstellung eines Rotorblatts einer Wind- oder Wasserkraftanlage,
die eine Notbetriebversorgungseinrichtung und einen Dreibrücken-Wechselrichter umfasst.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer
solchen Ansteuerschaltung.
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Ein
Einsatzschwerpunkt der Ansteuerschaltung liegt im Bereich von Verstellmechanismen
für Rotorblätter, wie
sie beispielsweise in Wind- oder Wasserkraftanlagen
eingesetzt werden. Sie dienen dazu, den Anstellwinkel eines oder
mehrerer Rotorblätter
gegenüber
dem strömenden
Antriebsmedium Luft oder Wasser so zu verändern, dass einerseits ein
optimaler Wirkungsgrad der Energiegewinnungsanlage erreicht werden
kann, andererseits im Störfall die
Antriebsfläche
des Rotorblatts gegenüber
dem Antriebsstrom in eine neutrale Position (Fahnenstellung) geschwenkt
werden kann, so dass die Energiegewinnungsanlage in Ruhestellung
versetzt werden kann. Hierbei ergibt sich die Anforderung, dass
die benötigte
Ansteuerschaltung auch bei diversen Störfällen zumindest einen Notlaufbetrieb
ermöglicht
und eine Feststellung des Rotorblatts unterstützt. Der Einsatzbereich der
Ansteuerschaltung ist nicht auf dieses Gebiet beschränkt, sie
kann gleichwohl in anderen Bereichen der Technik eingesetzt werden.
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In
dem obengenannten Einsatzfall werden herkömmlicherweise Drehstrom- und/oder
Gleichstrommotoren eingesetzt. Die hierzu verwendeten Ansteuerschaltungen
umfassen im Fall von Drehstrommotoren Wechselrichter, beispielsweise
Frequenzumrichter oder Servoregler, die Motordrehzahlen steuern
können.
Hierzu sind diese Wechselrichter für Asynchron- oder Synchrondrehstrommotoren
in der Regel dreiphasig aufgebaut, wobei für jede Motorphase eine Halbbrücke zum
Einsatz kommt, die typischerweise aus zwei Leistungstransistoren,
z.B. Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) und gegebenenfalls
zwei Freilaufdioden besteht. Für
die Energieversorgung solcher drehstrombasierten Rotorblätterverstelleinrichtungen
werden die drei Phasen des Stromnetzes beispielsweise über einen
Brückengleichrichter
in Gleichspannung gewandelt, und diese an die drei Halbbrücken des
Wechselrichters geführt.
Somit lassen sich in diesen bekannten Ansteuerschaltungen drei Spannungsarten
unterscheiden: Die Netzspannung, die Zwischenkreisgleichspannung,
und die beliebig steuerbare Ausgangsspannung des Wechselrichters.
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Aus
dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Realisierungen und
Varianten einer solchen Ansteuerschaltung bekannt. So ist es beispielsweise üblich, dass
für die
Verstellung von Rotorblättern
sowohl Gleichstrom- als auch Drehstrommotoren eingesetzt werden
können.
Hierzu existiert der Vorschlag, dass für eine Verstelleinrichtung
eines einzelnen Rotorblatts eine Vielzahl von Gleich- und/oder Drehstrommotoren
eingesetzt werden. Im Fall des Einsatzes von Drehstrommotoren kann
eine Brems- und Haltewirkung der Motoren auf das Rotorblatt mit Hilfe eines
eingeprägten
Gleichstroms in die Drehstrommotoren erreicht werden, so dass zusätzliche Haltebremsen
eingespart werden können.
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Daneben
ist auch üblich,
zur Stillsetzung eines elektrischen Antriebs mechanische Motorbremsen
einzusetzen, die in vielen Fällen
elektromagnetisch betätigt
werden und an der Welle eines Motors angekoppelt sind. Solche elektromagnetisch
betätigten
Haltebremsen können
mit Gleich- oder auch Wechselspannung im Bereich von Kleinspannung
bis zur Netzspannung betrieben werden. Hierzu sind in vielen Realisierungsmöglichkeiten
zusätzliche
Komponenten notwendig, wie zum Beispiel Netzteil oder Kühleinrichtungen.
Typischerweise blockieren die Haltebremsen im stromlosen Zustand
und öffnen
im bestromten Zustand. Zum Betrieb einer solchen Haltebremse sind
in handelsüblichen
Wechselrichtern, beispielsweise in Frequenzumrichtern oder Servoreglern
spezielle Schaltkontakte für
Kleinspannung vorgesehen, die die Ansteuerfunktion einer solchen Haltebremse
unmittelbar unterstützen.
In vielen Fällen
ist jedoch eine externe Energiequelle zum Betrieb einer Haltebremse
erforderlich, um die geforderte Betriebsspannung der Haltebremse
zur Verfügung
zu stellen. Diesbezüglich
ist aus dem Stand der Technik bekannt, Haltebremsen mit pulsweitenmodulierten Ansteuerspannungen
zu betreiben, um die zur Verfügung
stehende Netzspannung, Zwischenkreisspannung oder Motorspannung
für die
eingesetzte Haltebremse anzupassen und die Haltebremse damit zu betreiben.
Eine solche pulsweitenmodulierte Ansteuerung senkt die Anzahl notwendiger
Zusatzbeschaltungen für
das Bremsensystem, da keine zusätzliche Energiequelle
oder Netzteile benötigt
werden.
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Gerade
bei Antriebsvorrichtungen für
Rotorblätter
von Energiegewinnungsmaschinen ist ein hoher Grad an Störsicherheit
unabdingbar. Es existieren Vorschläge, dass bei Eintritt eines
Störfalls
das Rotorblatt mit Hilfe einer Notbetriebversorgungseinrichtung
in einen neutralen Zustand verfahren werden kann, so dass das Rotorblatt
eine Fahnenstellung einnimmt, in dem es keinen Widerstand gegenüber dem
strömenden Medium
bietet. Hierzu existieren technische Realisierungen, die einen Gleichstrommotor
zur Rotorverstellung einsetzen, der über eine Notbatterie im Störfall den
Rotor in eine Fahnenstellung verschwenkt. Ausgehend von dieser Variante
wurden Ansteuerschaltungen entwickelt, bei denen eine Notbetriebversorgungseinrichtung
entweder direkt oder indirekt über
eine Ansteuerschaltung/einen Umrichter mit dem Gleichstrommotor
koppelbar ist. Solche Ansteuerschaltungen bieten den Vorteil, dass
zum einen beim Ausfall des Wechselrichters der Gleichstrommotor
direkt über
die Notbetriebversorgungseinrichtung betrieben werden kann, zum
anderen beim Betrieb über
den Wechselrichter eine gezielte Steuerung des Motors, beispielsweise über eine
Pulsweitensteuerung möglich
ist. Eine Abwandlung dieses aus dem Stand der Technik bekannten
Konzepts besteht darin, statt einem Gleichstrommotor einen Drehstrommotor
einzusetzen. Hierbei kommt jedoch nur in Frage, die Betriebsspannung der
Notbetriebversorgungseinrichtung über den Zwischenkreis des Wechselrichters
einzukoppeln, da die Gleichspannung der Notbetriebversorgungseinrichtung
zuerst in Drehstrom umgerichtet werden muss. In einem alternativen
Konzept wird auf den Einsatz eines Wechselrichters verzichtet, so
dass nur die Möglichkeit
besteht, die Notbetriebversorgungseinrichtung direkt an einen Gleichstrommotor
anschließbar
zu machen.
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Schließlich ist
aus dem Stand der Technik bekannt, dass für eine Verstellvorrichtung
eines Rotorblatts ein Gleichstrommotor mit Reihenschluss- und Nebenschlusswicklung
verwendet wird, der über einen
Dreibrücken-Wechselrichter,
wie er üblicherweise
für die
Ansteuerung von Drehstrommotoren eingesetzt wird, angesteuert wird.
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Die
oben dargestellten Realisierungsmöglichkeiten für Ansteuerschaltungen,
insbesondere für die
Verstellungen von Rotorblättern
von Wind- oder Wasserkraftanlagen,
lösen bestimmte
Aufgaben solcher Verstellvorrichtungen und erfordern hierzu eine Vielzahl
spezialisierter Komponenten und besonderer Schaltungstechniken.
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So
erfordert beispielsweise die Verwendung von Drehstrommotoren für eine Verstellvorrichtung und
Realisierung der Haltefunktion durch eine Gleichstrombestromung
der Drehstrommotoren eine spezielle Schaltung zur Bereitstellung
der Gleichspannung sowie eine spezielle Steuerung, die die Umschaltung
zwischen Drehstrombetrieb und Haltestrombetrieb durchführt. Nachteilig
bei einer Gleichstrombestromung eines Drehstrommotors ist die beschränkte und
oft zu geringe Halte- und Bremswirkung im Haltestrombetrieb. Des
Weiteren ist ein solche Bremsenrealisierung nicht eigensicher, d.h.
im Störfall,
beispielsweise bei einem Motordefekt, besteht die Gefahr, dass die
Halte- und Bremswirkung völlständig ausfällt, so
dass das Rotorblatt sich unkontrolliert bewegt und weitere Schäden verursachen kann.
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Aus
diesem Grund ist es bekannt, separate Haltebremsen einzusetzen,
die ausreichend hohe Brems- und Haltekräfte ausüben können und eine höhere Eigensicherheit
bieten. Die Steuerung dieser separaten Haltebremsen durch im Regelfall
pulsweitenmodulierte Steuerspannungen erfordert jedoch zusätzliche
Bauteile, die die pulsweitenmodulierten Spannungen erzeugen, sowie
eine separate Steuerungsvorrichtung, die die Haltebremse ansteuert.
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Die
Kombination von Antriebsvorrichtung mit Hilfe von Drehstrommotoren
und Notbetriebversorgungseinrichtungen, die üblicherweise nur Gleichspannung
zur Verfügung
stellen, erfordert den Einsatz eines äußerst zuverlässigen und
störungssicheren
Gleichstrom-Wechselstromrichters
und erhöht dadurch
die Gesamtkosten der Ansteuerschaltung.
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Hierzu
ist es bekannt, einen Gleichstrommotor über einen Wechselrichter, bei
dem eine Notbetriebversorgungseinrichtung sowohl direkt an den Gleichstrommotor,
als auch indirekt über
den Wechselrichter an den Gleichstrommotor angelegt werden kann,
zu betreiben. Jedoch erfordert eine solche Ansteuerschaltung die
Entwicklung und Realisierung eines speziellen Wechselrichters für Gleichstrombetrieb,
der zumeist zwei Halbbrücken
umfasst. Es ergibt sich des Weiteren das Probleme, dass für eine in vielen
Fällen
notwendige Haltebremse in diesem Konzept nicht integriert vorgesehen
ist.
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Alternativ
hierzu erlaubt ein Konzept, das die Notbetriebversorgungseinrichtung
im Fehlerfall lediglich direkt an den Gleichstrommotor koppelt,
keine definierte Steuerung des Gleichstrommotors, so dass der Notbetrieb
der Verstelleinrichtung nur durch ein binäres Ein- oder Ausschalten des
Gleichstrommotors vorgenommen werden kann.
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Schließlich ermöglicht der
Betrieb eines Gleichstrommotors mit Reihen- und Nebenschlusswicklung über einen
Dreibrücken-Wechselrichter zwar
den Betrieb eines Gleichstrommotors, jedoch nicht die Verwendung
einer zusätzlichen
Haltebremse oder weiterer Aktoren, ohne das hierfür eine separate
Ansteuerschaltung hinzugefügt
werden muss.
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Ausgehend
von diesem oben genannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Ansteuerschaltung zum Betrieb eines
Gleichstrommotors mit elektrisch betätigter Haltebremse, die eine
Notbetriebversorgungseinrichtung und einen Dreibrücken-Wechselrichter umfasst, vorzuschlagen,
die die oben genannten Nachteile des Stands der Technik überwindet,
und dabei eine preisgünstige,
flexible und robuste Ansteuerung einer Rotorverstelleinrichtung
sowohl im Normal- als auch im Notfallbetrieb ermöglicht. Des weiteren ist es Aufgabe
der Erfindung, einen kontrollierten Betrieb der Ansteuerschaltung
zur Ansteuerung von Motor und Haltebremse sowohl im Normal- als
auch im Notbetrieb bei minimaler schaltungstechnischer Komplexitiät und niedriger
Bauteilzahl zu ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ansteuerschaltung
vorzuschlagen, die eine zentralen Steuerung- und Überwachung
bei niedrigem Verkabelungsaufwand ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Ansteuerschaltung nach der Lehre des Patentanspruchs
1 und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Ansteuerschaltung
nach der Lehre des Patentanspruchs 30 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Ansteuerschaltung ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Notbetriebversorgungseinrichtung über ein
Notbetrieb-Netz-Schaltelement
mit dem Zwischenkreis des Dreibrücken-Wechselrichters
freischaltbar verbunden ist, dass der Gleichstrommotor über ein
Notbetrieb-Motor-Umschaltelement entweder mit dem Dreibrücken-Wechselrichter oder
mit der Notbetriebversorgungseinrichtung verbunden ist, und dass
die Haltebremse über
ein Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement
entweder mit dem Dreibrücken-Wechselrichter oder
mit der Notbetriebversorgungseinrichtung verbunden ist. Die Ansteuerschaltung
dient der Steuerung und Regelung eines Gleichstrommotors für die Verstellung
eines Rotorblatts mit zugehöriger
elektrisch betätigter
Haltebremse und ermöglicht
einen Betrieb bei beispielsweise kurzzeitigem Ausfall der Versorgungsspannung über eine
Notbetriebversorgungseinrichtung sowohl direkt, als auch über die Umrichter-Elektronik.
Dabei wird in der Umrichter-Elektronik ein Standard-Dreibrücken-Wechselrichter eingesetzt,
der üblicherweise
bei Drehstrommotoren verwendet wird und damit in einer großen Vielzahl
für verschiedene
Leistungsbereiche sehr kostengünstigen
verfügbar
ist. Somit verzichtet die Schaltung bei einer sehr hohen Flexibilität an möglichen
Schaltungsvarianten auf Spezialbauteile und realisiert ihre Funktionsfähigkeit
lediglich mit Hilfe von kostengünstig
verfügbaren
Standardbauteilen. Prinzipiell besteht die erfindungsgemäße Ansteuerungsschaltung
aus einem Gleichstrommotor, einer Haltebremse, und einer Notbetriebversorgungseinrichtung,
die zusammen an einen Dreibrücken-Wechselrichter
angeschlossen sind. Dabei ist die Notbetriebversorgungseinrichtung über ein
Notbetrieb-Netz-Schaltelement direkt mit dem Zwischenkreis des Dreibrücken-Wechselrichters
verbunden, so dass sie zum einen Spannung über den Zwischenkreis zum Betrieb
und zur Aufladung erhalten als auch Spannung an den Zwischenkreis
liefern kann. Der Gleichstrommotor ist über ein Notbetrieb-Motor-Umschaltelement
entweder mit dem Dreibrücken-Wechselrichter
verbunden, oder beispielsweise im Notbetrieb, durch umschalten des
Notbetrieb-Motor-Umschaltelement direkt oder eventuell indirekt über ein
Anpassungsnetzwerk mit der Notbetriebversorgungseinrichtung verbunden.
Die Haltebremse ist über
ein Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement
entweder direkt mit dem Dreibrücken-Wechselrichter, oder
durch Umschalten des Umschaltelements mit der Notbetriebversorgungseinrichtung
verbunden – ebenfalls
wieder direkt oder über
ein Anpassungsnetzwerk. Somit existieren verschiedene Betriebsmöglichkeiten
der Ansteuerschaltung. Im Normalbetrieb verbindet das Notbetrieb-Motor-Umschaltelement
den Gleichstrommotor direkt mit dem Dreibrücken-Wechselrichter, und das
Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement
die Haltebremse direkt mit dem Dreibrücken-Wechselrichter. Tritt beispielsweise
eine Störung
der Netzspannung auf, so kann durch das Netz-Schaltelement die Notbetriebversorgungseinrichtung
Spannung über
das geschlossene Netz-Schaltelement an den Zwischenkreis liefern,
so dass in diesem Fall die Notbetriebsversorgungseinrichtung über das
Netz-Schaltelement und den Dreibrücken-Wechselrichter den Gleichstrommotor
und die Haltebremse betreibt. Hierbei werden die Umschaltelemente
nicht betätigt.
In einem anderen Störfallszenario
könnte
der Dreibrücken-Wechselrichter ausfallen,
beispielsweise durch einen Blitzschlag, und das Notbetrieb-Motor-Umschaltelement den Gleichstrommotor
und das Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement
die Haltebremse direkt oder über
ein Anpassungsnetzwerk mit der Notbetriebversorgungseinrichtung
verbinden, so dass bei Ausfall des Wechselrichters eine Notverstellung
des Rotorblatts zum Beispiel in eine Fahnenstellung durch Energieversorgung über die
Notbetriebsversorgungseinrichtung gewährleistet werden kann.
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Prinzipiell
ist der innere Aufbau der Notbetriebsversorgungseinrichtung beliebig.
Eine vorteilhafte Ausführung
einer Notbetriebsversorgungseinrichtung kann dabei eine oder mehrer
Batterien umfassen, die im Fall eines Störfalls die Antriebsvorrichtung
mit Energie versorgt. Batterien sind sehr günstig in vielen Leistungsvarianten
vorhanden und verfügen über eine
hohe Lebensdauer.
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Alternativ
zum Einsatz einer oder mehrerer Batterien kann in der Notbetriebversorgungseinrichtung
eine aufladbare Gleichspannungsquelle enthalten sein, insbesondere
eine oder mehrer Akkumulatoren, Kondensatoren oder ähnliches.
Diese dienen beispielsweise bei der Überbrückung von kurzzeitigen Spannungseinbrüchen oder
Spannungsausfällen
dazu, dass die Antriebsvorrichtung zumindest in eine neutrale Stellung
verfahren werden kann, im Falle einer Rotorantriebsvorrichtung in
eine Fahnenstellung. Eine aufladbare Gleichspannungsquelle bietet
insbesondere den Vorteil der Wartungsfreiheit über längere Zeit und der Regenerationsaufladung nach
einem vorhergehenden Störfall.
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Beinhaltet
die Notbetriebsversorgungseinrichtung eine aufladbare Energiequelle,
so ist es besonders vorteilhaft, dass sie über das Notbetrieb-Netz-Schaltelement
aufgeladen werden kann. Bei einem geschlossenen Notbetrieb-Netz-Schaltelement
ist die Notbetriebversorgungseinrichtung mit dem Zwischenkreis des
Dreibrücken-Wechselrichters
verbunden und kann somit Gleichspannung zur Aufladung der Energiequelle
verwenden. Dies ermöglicht
einen über
lange Zeiträume
hinweg wartungsfreien Betrieb der Notbetriebsversorgungseinrichtung.
Hierzu kann der aufladbaren Gleichspannungsquelle ein Anpassungsnetzwerk
vorgeschaltet sein, um eventuelle Spannungsanpassungen und/oder Überlastschutzfunktionen
zwischen Zwischenkreis und Gleichspannungsquelle durchzuführen bzw.
auszuüben.
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Im
Fall eines Ausfalls des Versorgungsnetzes ist es durchaus vorstellbar
und vorteilhaft, dass die Notbetriebversorgungseinrichtung über das
geschlossene Notbetrieb-Netz-Schaltelement rückwärtig, direkt oder über weiter
Anpassungsbauteile gekoppelt, den Zwischenkreis des Dreibrücken-Wechselrichters
versorgen kann. Somit ist sichergestellt, dass bei einem Ausfall
der externen Energieversorgung die Antriebsvorrichtung ohne Beeinflussung
ihrer Funktionalität über den
Wechselrichter gesteuert werden kann und somit der gesamte Komfort
der Schaltung auch im Fall eines Netzausfalls genutzt werden kann.
In dieser Variante ist ein störungsfreier Betrieb
der Rotorverstellvorrichtung auch bei Netzausfall möglich, darüber hinaus
ermöglicht
eine solche Betriebsart eine sichere und reibungslose Überführung des
Rotors in eine neutrale Stellung, zum Beispiel Fahnenstellung unter
Verwendung der Steuerungsmöglichkeit
des Wechselrichters.
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Die Überwachung,
Steuerung und Regelung der Ansteuerschaltung kann beliebig realisiert
werden. In einer besonders einfachen und vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung umfasst die Ansteuerschaltung eine zentrale Überwachung
und Steuervorrichtung, die mit mindestens einem der Schaltelemente
Notbetrieb-Netz-Schaltelement, Notbetrieb-Motor-Umschaltelement und/oder Notbetrieb-Bremse-Schaltelement
verbunden ist, und zumindest eine der Funktionen Energiezufuhr der
Notbetriebsversorgungseinrichtung zu- und von dem Zwischenkreis
des Wechselrichters, Energiezufuhr des Gleichstrommotors, Energiezufuhr
der Haltebremse realisiert. In diesem Zusammenhang wird von einer
Steuervorrichtung gesprochen, die jedoch auch Regelungsaufgaben übernehmen
kann und eventuell auch die Steuerung/Regelung des Dreibrücken-Wechselrichters übernehmen
kann. Die Notbetriebversorgungseinrichtung stellt eine zentrale
Komponente der Ansteuerschaltung dar, und ermöglicht durch verschiedene Stellungen
der Schalt- und Umschaltelemente verschiedene Betriebsarten der
Ansteuerschaltung. Aus diesem Grund liegt es nahe, die übergeordnete Überwachungs-
und Steuervorrichtung, die die Stellung der Schalt- und Umschaltelemente
zur Realisierung der verschiedenen Schaltungskonfigurationen der
Ansteuerschaltung steuert, in der Notbetriebversorgungseinrichtung
unterzubringen. So können
die verschiedenen Stellungsmöglichkeiten
der Schalt- und Um schaltelemente von einer zentralen Stelle aus
gesteuert werden, und durch definierte Abstimmung der einzelnen
Zustände
der Stellglieder das Verhalten der Ansteuerschaltung bestimmt werden.
Insbesondere sollte die Überwachung
und Steuervorrichtung in der Lage sein, die Notbetriebversorgungseinrichtung
abzuschalten, um zum einen eine Überlast
zu verhindern, zum anderen im Notbetrieb oder im Falle einer Störung von
Motor oder Haltebremse diese im Notbetrieb stillzulegen, d.h. von
der Versorgungsspannung zu trennen.
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Ist
eine zentrale Überwachungs-
und Steuervorrichtung vorgesehen, so bietet es sich an, dass diese
neben der Steuerung der oben angesprochenen Schalt- und Umschaltelemente
mit dem Dreibrücken-Wechselrichters
verbunden ist, um diesen zu steuern. Somit steuert die Überwachungs- und Steuerungsvorrichtung
neben einzelnen Versorgungsbetriebsarten von Gleichstrommotor und
Haltebremse auch die einzelnen Leistungsschaltelemente des Dreibrücken-Wecselrichters,
so dass ihr die gesamte Steuerung der Ansteuerschaltung obliegt.
Durch eine solche zentrale Steuervorrichtung wird der Bauteilaufwand
erheblich reduziert und die Kabelführung vereinfacht, des Weiteren
ist ein kontrollerter Betrieb der Gesamtschaltung möglich. So
ist es beispielsweise Denkbar, vor Umschaltung der Versorungsspannungen
von Normal- auf Notfallbetrieb die Ansteuerspannungen des Motors
und der Bremse kontrolliert zu steuern, um ein reibungsloses Umschalten
zu gewährleisten.
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Die Überwachungs-
und Steuervorrichtung kann in der Regel als eigene Schaltungskomponente ausgeführt und
in der Ansteuerschaltung untergebracht werden. Jedoch ist es vorteilhaft
möglich,
diese in der Notbetriebversorgungseinrichtung zu integrieren, insbesondere
um eine Nachrüstung
bestehender Anlagen zu vereinfachen, den Verkabelungsaufwand zu
reduzieren und die Anzahl der Komponenten gering zu halten.
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Die
Verwendung einer Überwachungs-
und Steuervorrichtung, die alle Komponenten der Ansteuerschaltung
steuert, eröffnet
die Möglichkeit,
alle Daten der Ansteuerschaltung wie Betriebszustand, Funktionsstörung, etc
an einer zentralen Stelle zu sammeln. Da eine erhöhte Sicherheit
der Ansteuerschaltung im Vordergrund steht ist es vorteilhaft, dass die Überwachungs-
und Steuervorrichtung des Weiteren eine Fernmeldeeinrichtung zum
Empfang und Senden von Informationen an eine Fernüberwachungs-
und Steuerungsstelle umfasst. Diese kann die Daten der Ansteuerschaltung
weiterleiten oder von der Fernüberwachungs-
und Steuerungsstelle empfangene Instruktionen ausführen und
erhöht
somit die Betriebssicherheit der Ansteuerschaltung.
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In
einer besonders ausgezeichneten Ausführungsform der Ansteuerschaltung
ist der Gleichstrommotor über
das Notbetrieb-Umschaltelement mit zwei Halbbrücken des Dreibrücken-Wechselrichters
verbunden. In der Regel weist ein Gleichstrommotor zwei Motoranschlussklemmen
auf. Der Dreibrücken-Wechselrichter
umfasst dabei drei einzelne Halbbrücken, und weist somit drei
Motorklemmen U, V und W für
den Anschluss eines Drehstrommotors auf. Es ist durchaus denkbar,
eine Klemme des Gleichstrommotors an einer Halbbrücke und
die zweite Klemme des Gleichstrommotors an ein Zwischenkreispotential
anzuschließen,
dabei ist es beliebig, ob das positive oder negative Potential des Zwischenkreises
verwendet wird, jedoch wäre
in diesem Fall für
eine Drehrichtungsumkehr eine zusätzliche Polwendeschaltung notwendig.
Somit bietet die Möglichkeit,
die beiden Klemmen des Gleichstrommotors mit zwei Halbbrücken des
Dreibrücken-Wechselrichters
zu verbinden, eine maximale Flexibilität beim Betrieb des Gleichstrommotors,
hinsichtlich Leistungs- und Drehrichtungssteuerung. So kann durch
eine freie Wahl des Tastverhältnisses
der Transistoren der Halbbrücke
jeder beliebige zeitliche Mittelwert der Spulenspannung zwischen
null und der vollen Zwischenkreisspannung eingestellt werden, und
durch gezieltes Ansteuern der einzelnen Leistungsschaltelemente
der beide Halbbrücken
die Polarität
der Motorspannung umgeschaltet werden.
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Prinzipiell
kann die Haltebremse an jeden beliebigen Anschluss des Wechselrichters
und/oder des Zwischenkreises angeschlossen werden. In einem besonders
ausgezeichneten Ausführungsbeispiel
ist zumindest ein Anschluss der Haltebremse über das Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement mit einem
Zwischenkreispotential verbunden.
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Des
Weitern ist es dabei bevorzugt möglich, dass
zumindest ein Anschluss der Haltebremse über das Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement
mit einer Halbbrücke
des Dreibrücken-Wechselrichters
verbunden ist. Fasst man diese beiden Schaltungsmöglichkeiten
zusammen, so wird die Haltebremse über das Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement
zum einen mit einem der beiden Zwischenkreispotentiale verbunden,
und zum anderen mit einer Halbbrücke
des Dreibrücken-Wechselrichters
verbunden. Somit ist die Haltebremse über eine Halbbrücke des
Dreibrücken-Wechselrichters steuerbar.
Dabei ist es prinzipiell beliebig, an welche der beiden Zwischenkreispotentiale – positives
oder negatives Potential – die
Haltebremse angeschlossen ist. Wiederum kann durch eine freie Wahl
des Tastverhältnisses
der Transistoren der Halbbrücke
jede beliebige Spannung zwischen null und der vollen Zwischenkreisspannung zur
Ansteuerung der Haltebremse verwendet werden. Es bleibt hierbei
freigestellt, ob die Haltebremse exklusiv an eine Halbbrücke angeschlossen
wird, oder ob an dieser Halbbrücke
bereits andere Verbraucher, insbesondere der Gleichstrommotor angeschlossen
ist.
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Bezüglich der
Ansteuerung der Haltebremse ist es vorteilhaft möglich, dass die Halbbrücke des Dreibrücken-Wechselrichters,
die mit der Halbbremse verbunden ist, unabhängig von den beiden Halbbrücken des
Dreibrücken-Wechselrichters
ist, die mit dem Gleichstrommotor verbunden ist. Somit erhält man eine
maximale Flexibilität
in der Ansteuerung von Gleichstrommotor und Haltebremse, so dass
für beide
Energieverbraucher unterschiedliche Betriebszustände und Betriebsspannungen
eingestellt werden können.
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Alternativ
zu der oben beschriebenen Ansteuerung der Haltebremse ist es auch
durchaus denkbar, dass die Halbbrücke des Dreibrücken-Wechselrichters,
die mit der Haltebremse verbunden ist, eine der Halbbrücken des
Dreibrücken-Wechselrichters
ist, die mit dem Gleichstrommotor verbunden sind. Somit teilen sich
Gleichstrommotor und Haltebremse eine Halbbrücke des Dreibrücken-Wechselrichters,
so dass eine verbleibende Halbbrücke
zur freien Verfügung
steht und zusätzliche
Schaltungs- und Reglungsaufgaben erfüllen kann.
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In
einigen Fällen
erfordert der Betrieb einer Haltebremse zusätzliche Bauteile, insbesondere Schutzbeschaltungen,
daher ist es in einem ausgezeichneten Ausführungsbeispiel vorteilhaft,
dass parallel und/oder in Reihe zur Haltebremse weitere Bauelemente,
insbesondere eine Haltebremseschutzbeschaltung geschaltet ist. Durch
solch eine Schutzbeschaltung können
beispielsweise Überlastungen
der Haltebremse verhindert, Überspannungen
kompensiert oder Überströme verhindert
werden.
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Ist
die Haltebremse an mindestens einer Halbbrücke des Dreibrücken-Wechselrichters angeschlossen,
so ist es besonders vorteilhaft, dass die Haltebremse beim Betrieb über den
Wechselrichter mit einem zeitlich veränderlichen Spannungsmittelwert,
insbesondere mit einer pulsweitenmodulierten Spannung betrieben
wird. Somit lässt
sich durch eine freie Wahl des Taktverhältnisses der Transistoren der Halbbrücke ein
zeitlich beliebig einspielbarer Mittelwert der Spulenspannung einstellen,
der jeden beliebigen Wert zwischen null und der vollen Zwischenkreisspannung
annehmen kann. Somit eröffnet
sich die Möglichkeit,
Haltebremsen mit beliebigen Nennspannungen zu verwenden, insbesondere
kostengünstige
Kleinspannungshaltebremsen einzusetzen.
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Zur
Erhöhung
der Flexibilität
und besseren Kontrolle der Ansteuerschaltung ist es vorteilhaft möglich, dass
die Ansteuerschaltung des Weiteren mindestens eine Strommesseinrichtung
umfasst. Diese Strommesseinrichtung kann an beliebigen Stellen der
Ansteuerschaltung eingesetzt werden und überwacht den fließenden Strom,
der Rückschlüsse auf
das Betriebs verhalten der Gesamtschaltung oder einzelner Schaltungsbereiche
zulässt.
Hierzu ist es durchaus denkbar, die Strommesseinrichtung in dem
Dreibrücken-Wechselrichter
zu integrieren, dies erhöht
die Betriebssicherheit und reduziert die schaltungstechnische Komplexität der Ansteuerschaltung.
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Wird
mindestens eine Strommesseinrichtung in der Ansteuerschaltung verwendet,
so ist es möglich
und vorteilhaft, dass die Strommesseinrichtung mit einer Überwachungs-
und Steuervorrichtung zur Steuerung des Wechselrichters und/oder
des Notbetrieb-Netz-Schaltelements, und/oder des Notbetrieb-Motor-Umschaltelements
und/oder des Notbetrieb-Bremse-Umschaltelements
verbunden ist. Somit können
durch Analyse des von der Strommesseinrichtung erfassten Stroms
die Schalt- und Umschaltelemente geschaltet werden, so dass eine
Regelung der Ansteuerschaltung in Abhängigkeit des Stroms ermöglicht wird.
Beispielsweise kann durch Überwachung
des Netzstromes durch die Überwachungs-
und Steuervorrichtung, die beispielsweise in der Notbetriebversorgungseinrichtung
untergebracht sein kann, ein Ausfall der Netzversorgung erkannt werden,
so dass dann die Notbetriebversortungseinrichtung über das
Netz-Schaltelement rückwärtig den Dreibrücken-Wechselrichter
mit Spannung versorgt, und somit die Antriebsvorrichtung mit Energie
versorgt. Des Weiteren kann durch gezieltes Überwachen von Strömen innerhalb
des Wechselrichters ein Ausfall des Wechselrichters erkannt werden,
so dass die Notbetriebversorgungseinrichtung eine Umschaltung der
Energieversorgung von Gleichstrommotor und Haltebremse auf Direktversorgung
durch die Notbetriebversorgungseinrichtung einleitet. Denkbar ist
auch eine Überwachung
des Motor- oder Haltebremsenstroms, so dass diese bei Ausfall oder Überlast
von der Versorgungsspannungen getrennt werden können.
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Insbesondere
ermöglicht
der Einsatz einer Strommesseinrichtung besonders vorteilhaft den Strom
der Haltebremse zu messen, so dass eine Regelung des Ansteuerstroms
der Haltebremse durch die Überwachungs- und Steuervorrichtung
möglich ist.
Der Strom der Haltebremse gibt einen Rückschluss auf Kräfte, die
auf die Bremse wirken, zum Beispiel erhöhte Windlast, oder auf Überlastung
der Haltebremse. Durch eine gezielte Überwachung des Haltebremsenstroms
kann somit die Antriebsvorrichtung so beeinflusst werden, dass beispielsweise
der Rotor einer Energiekraftanlage in eine günstigere Winkelposition oder
in eine neutrale Position, zum Beispiel Fahnenstellung, verfahren
werden kann, oder dass rechtzeitig der Ausfall der Haltebremse erkannt
werden kann. Die Messung des Haltebremsenstroms kann des Weiteren
durch Vergleich mit Sollprofilen den Alterungsgrad bzw, den Verschleiß der Bremse
dokumentieren. Des Weiteren gibt sie einen Hinweis auf den Betriebszustand
der Bremse, z.B. ob die Bremse tatsächlich gelüftet hat und dient als Indikator
für ein
Fehlverhalten. Die Auswertung der von den Strommesseinrichtungen
gelieferten Messdaten dient somit direkt zur Überwachung und Steuerung der
Ansteuerschaltung und kann durch Vergleich mit Sollprofilen Funktionszustand,
Fehlfunktion, Alterung, Abnutzung, Belastung und ähnliches
des Gleichstromotors und/oder der Haltebremse erkennen.
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Die
innere Ausführung
des Gleichstrommotors ist prinzipiell beliebig, man unterscheidet
herkömmlicherweise
grundsätzlich
zwischen Reihen-, Neben-, Compound-, oder fremderregten Gleichstrommotoren.
Besonders vorteilhaft ist der Gleichstrommotor der Ansteuerschaltung
dadurch ausgestattet, dass er einer Motornebenschlusswicklung umfasst.
Der Gleichstrommotor kann dabei beispielsweise ein Reihenschlussmotor
sein, der eine zusätzliche
Nebenschlusswicklung aufweist und somit beispielsweise in Form eines
Compoundmotors betrieben werden kann.
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Weist
der Gleichstrommotor eine Nebenschlusswicklung nach oben aufgeführte Alternative aus,
so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Motornebenschlusswicklung
parallel zur Haltebremse geschaltet ist. Somit ist die Nebenschlusswicklung
nur dann in Betrieb, wenn sich die Haltebremse im bestromten Zustand,
also im offenen Zustand, befindet.
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Die
Nebenschlusswicklung kann dabei das Anzugsmoment des Gleichstrommotors
erhöhen oder
verbessern, insbesondere wenn die Bemessungsspannung der Nebenschlusswicklung
mit der Bemessungsspannung der Magnetspule der Haltebremse übereinstimmt.
Dabei ist ein preiswerter Betrieb der Haltebremse ohne weitere Vorrichtungen möglich.
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Eine
separate Nebenschlusswicklung des Gleichstrommotors ermöglicht des
Weiteren einen Betrieb des Motors als fremderregter Motor, in dem die
Motornebenschlusswicklung als fremderregte Wicklung des Gleichstrommotors
geschaltet ist. Damit eröffnet
der Gleichstrommotor Betriebsmerkmale, die einem fremderregten Motor ähneln.
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Als
mögliche
weitere Schaltungsalternative einer Nebenschlusswicklung an den
Gleichstrommotor kann die Motornebenschlusswicklung zwischen einem
Anschluss des Gleichstrommotors und einem Anschluss der Haltebremse
gestaltet werden. Somit ist das Verhalten der Nebenschlusswicklung
von der Ansteuerung des Gleichstrommotors und der Ansteuerung der
Haltebremse abhängig,
so dass beispielsweise bei unbestromter Haltebremse die Nebenschlusswicklung
außer
Betrieb gesetzt ist, und bei niedrigen Spannungen des Motors die
Nebenschlusswicklung ein geringes Magnetfeld erzeugt.
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In
vielen Fällen
werden beim Betrieb von neben- oder fremderregten Spulen eines Gleichstrommotors
Zusatzbeschaltungen benötigt.
Aus diesem Grund ist es besonders vorteilhaft, dass zusätzliche Bauelemente
in Reihe und/oder parallel zur Motornebenschlusswicklung geschaltet
werden.
-
Des
Weiteren ist es durchaus möglich
und vorstellbar, dass der Gleichstrommotor in seinem Inneren ein
Feldgleichrichter umfasst, der insbesondere vor der Reihenschlusswicklung
eines Gleichstrommotors geschaltet ist. Somit ermöglicht ein
Feldgleichrichter die Verwendung eines Reihenschlussgleichstrommotors
im 4-Quadranten-Betrieb, so dass zum Beispiel beim Lauf des Motors
ein Abbremsen oder ein zusätzliches
Beschleunigen ermöglicht
wird.
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Der
Dreibrücken-Wechselrichter
entspricht erfindungsgemäß einem
Standardwechselrichter wie er für
Drehstrommaschinen, beispielsweise bei für Asynchron- oder Synchronmaschinen,
eingesetzt wird. Besonders vorteilhaft, da kostengünstig erhältlich,
ist die Verwendung eines Dreibrücken-Wechselrichters,
der Teil eines Spannungszwischenkreisumrichters oder Servoreglers
ist. Solche Servoregler oder Spannungszwischenkreisumrichter sind
auf dem Markt in hoher Stückzahl,
dadurch besonders kostengünstig,
verfügbar,
sind sehr zuverlässig,
langlebig und stellen einen Industriestandard dar.
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In
einer besondern Ausführungsform
zeichnet sich der Aufbau der Halbbrücken des Wechselrichters dadurch
aus, dass mindestens zwei Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs)
als Leistungsschaltelemente verwendet werden. IGBTs zeichnen sich
durch einen extrem geringen Eigenverbrauch bei hohen schaltbaren
Leistungen aus, und sind de facto Standard in der Leistungselektronik
bei Ansteuerung von Gleich-, Wechsel- und Drehstrommaschinen.
-
Die
oben beschriebenen Komponenten der Ansteuerschaltung eröffnen eine
Vielzahl denkbarer Betriebszustände.
Grundsätzlich
können
in einem Verfahren zum Betrieb der Ansteuerschaltung drei Basis-Betriebsarten unterschieden
werden: der Normalbetrieb mit Energieversorgung durch das Netz, ein
erster Notbetrieb mit uneingeschränkter Funktionalität der Ansteuerschaltung
und ein zweiter Notbetrieb mit eingeschränkter Funktionalität der Ansteuerschaltung,
da eine Steuerung über
den Dreibrücken-Wechselrichter
nicht stattfindet. In den Notbetriebsarten erfolg die Energieversorgung
der Ansteuerschaltung über
die Notbetriebversorungseinrichtung. Nachfolgend wird ein vorteilhaftes
schaltungstechnisches Verfahren zur Einstellung der drei Betriebsarten
dargelegt:
- – Normalbetrieb: Das Notbetrieb-Netz-Schaltelement
ist bedarfsweise zur Aufladung der Notbetriebsversorgungseinrichtung
durch den Zwischenkreis geschlossen und ansonsten geöffnet. Das
Notbetrieb-Motor-Umschaltelement verbindet den Gleichstrommotor
mit dem Dreibrücken-Wechselrichter,
und das Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement
verbindet die Haltebremse mit dem Dreibrücken-Wechselrichter;
- – Erster
Notbetrieb: Im ersten Notbetrieb bleibt der Dreibrücken-Wechselrichter funktionsfähig und
wird dazu verwendet Motor und Bremse anzusteuern. Hierzu ist das
Notbetrieb-Netz-Schaltelement geschlossen, um den Zwischenkreis
mit Spannung zu versorgen. Das Notbetrieb-Motor-Umschaltelement
verbindet den Gleichstrommotor mit dem Dreibrücken-Wechselrichter, und das
Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement verbindet die Haltebremse mit
dem Dreibrücken-Wechselrichter;
- – Zweiter
Notbetrieb: Im zweiten Notbetrieb wird der Dreibrücken-Wechselrichter umgangen,
d.h. Motor und Bremse werden direkt von der Notbetriebversorgungseinrichtung
mit Energie versorgt. Das Notbetrieb-Netz-Schaltelement ist geöffnet. Das
Notbetrieb-Motor-Umschaltelement
verbindet den Gleichstrommotor mit der Notbetriebversorgungseinrichtung,
und das Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement
verbindet die Haltebremse mit der Notbetriebversorgungseinrichtung.
-
Mit
Hilfe des oben skizzierten Verfahrens lassen sich somit drei Grundbetriebsarten
unterscheiden, die in möglichen
Störsituationen
(Ausfall Netz – Erster
Notbetrieb, Ausfall Wechselrichter und/oder Netz – Zweiter
Notbetrieb) einen robusten Notbetrieb der Ansteuerschaltung ermöglichen.
Jedoch sind Abweichungen hierzu denkbar, so kann beispielsweise der
Gleichstrommotor direkt von der Nobetriebversorgung seinrichtung
gespeist werden, während
die Haltebremse noch über
den Dreibrücken-Wechselrichter
gesteuert werden kann und umgekehrt.
-
Die
Durchführung
des oben dargestellten Verfahrens zum Betrieb der Ansteuerschaltung
ist von einer Steuereinrichtung durchzuführen. Dazu bietet es sich an,
dass der Steuerungsablauf von der bereits weiter oben genannten Überwachungs-
und Steuervorrichtung vorgenommen wird, so dass diese die Steuerung
der einzelnen Betriebsarten Normalbetrieb, erster Notbetrieb und
zweiter Notbetrieb vornimmt.
-
Die Überwachungs-
und Steuervorrichtung kann daneben in vorteilhafter Weise die Steuerung der
Leistungsschaltelemente der Halbbrücken des Dreibrücken-Wechselrichters
vornehmen. Somit stellt sie die zentrale Überwachungs- und Steuervorrichtung
dar, die neben der Betriebsartumschaltung auch die Steuerung des
Dreibrücken-Wechselrichters übernimmt
und somit einen Ausfall dieses Bauteils detektieren und eine Betriebsartumschaltung vornehmen
kann. Dies reduziert zusätzliche
Steuerungskomponenten und erleichtert die Realisierung der Schaltung.
-
In
einem ausgezeichneten Ausführungsbeispiel
umfasst die Ansteuerschaltung Strommesseinrichtungen. In diesem
Fall kann in einer vorteilhaften Ausführung die Steuerung der Leistungsschaltelemente
unter Berücksichtigung
der Messdaten mindestens einer Strommesseinrichtung vorgenommen werden.
Durch Berücksichtigung
des aufgenommenen Stroms kann der Ausfall von Schaltungskomponenten, Überlastung
oder andere relevante Größen von
der Überwachungs-
und Steuervorrichtung erkannt werden und eine Betriebsartumschaltung
bewirken. Daher liegt es nahe, dass die Auswahl der einzelnen Betriebsarten
Normalbetrieb, erster Notbetrieb und zweiter Notbetrieb unter Berücksichtigung der
Messdaten mindestens einer Strommesseinrichtung vorgenommen wird.
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Ausgehend
von einem Ausführungsbeispiel, in
dem eine Überwachungs- und Steuervorrichtung gemessene
Ströme
berücksichtigt
ist es durchaus vorstellbar, dass die Überwachungs- und Steuervorrichtung
den von mindestens einer der Strommesseinrichtungen gemessenen Strom
mit gespeicherten Sollprofilen vergleicht und daraus Informationen über Funktionszustand,
Fehlfunktion, Alterung, Abnutzung, Belastung und/oder ähnliches
des Gleichstrommotors und/oder der Haltebremse ermittelt. Somit
kann die Überwachungs-
und Steuervorrichtung neben der reinen Steueraufgabe auch Analysen über Verschleiß, Fehlfunktion,
Belastung etc. des Motors und der Bremse ermitteln und in der Steuerung
berücksichtigen
bzw. Weitermelden.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung, an Hand lediglich Ausführungsbeispiele
zeigender Zeichnungen, näher
erläutert.
Die Figuren zeigen elektrische Schaltungen mehrerer Ausführungsbeispiele,
wobei lediglich ausführungsrelevante
Bestandteile der Ansteuerschaltung dargestellt sind. Weitere typische Schaltungsbestandteile,
die für
einen ausführbaren Schaltungsentwurf
nötig waren,
wie beispielsweise Gleichrichtschaltung zur Netzspannungsversorgung für den Zwischenkreis,
Freilaufdioden für
die IGBTs, Vorladeschaltung für
den Glättungs-
und Pufferkondensator des Zwischenkreises oder weitere dem Fachmann
bekannte schaltungstypische Bestandteile sind in den Figuren aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellt, müssen
jedoch für
eine vollständige schaltungstechnische
Realisierung hinzugedacht werden.
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Es
zeigen:
-
1 ein
Schaltungsentwurf eines ersten Ausführungsbeispiels einer Ansteuerschaltung;
-
2 ein
Schaltungsentwurf einer zweiten Ausführungsform;
-
3 ein
Schaltungsentwurf einer dritten Ausführungsform;
-
4 ein
Schaltungsentwurf einer vierten Ausführungsform.
-
1 zeigt
die Topologie und elektrische Verschaltung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
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Der
Zwischenkreis der Ansteuerschaltung kann hierbei über eine
Netzspannung gespeist werden. Hierzu können – nicht dargestellt -die drei
Phasen einer Drehstromnetzversorgung über einen Brückengleichrichter,
der sechs Dioden umfasst, gleichgerichtet werden, so dass diese
die beiden Zwischenkreispotentiale UZK+ und UZK– versorgen. Als Gleichrichterschalung
sind jedoch auch elektronische Schaltnetzteile, transformatorische
Gleichspannungsnetzteile oder andere übliche Gleichrichterschaltungen
denkbar. Anstelle einer 3-Phasen Drehstromnetzes kann auch eine
1-Phasen-Wechselspannung gleichgerichtet werden, um den Zwischenkreis
mit Spannung zu versorgen.
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Diese
Zwischenkreis-Gleichspannung wird als Zwischenkreispotentiale 16 und 17 an
den Dreibrücken-Wechselrichter 01 geleitet.
Ein Zwischenkreiskondensator 15 dient der Glättung der
gleichgerichteten Spannung.
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Der
Dreibrücken-Wechselrichter 01 umfasst drei
Halbbrücken,
die jeweils aus zwei Leistungsschaltelementen 02 bestehen,
die in Reihe zwischen den beiden Zwischenkreispotentialen 16 und 17 geschaltet
sind. Zwischen den beiden Leistungsschaltelementen 02 jeder
Haltebrücke
sind durch Abgriff die Wechselrichteranschlüsse U, V, und W nach außen geführt. Die
Leistungsschaltelemente 02a und 02b stellen dabei
eine Halbbrücke
dar, ebenso die beiden Leistungsschaltelemente 02c, 02d sowie 02e, 02f.
Des Weiteren weist der Dreibrücken-Wechselrichter 01 eine
Klemme des Gleichspannungspotentials UZK– 11 auf. Durch geeignete
Ansteuersignale der einzelnen Leistungsschaltelemente können beliebige
Spannungssignale an den Wechselrichteranschlussausgängen U,
V und W in Bezug aufeinander, oder in Bezug auf die Zwischenkreispotentiale
erzeugt werden. Wird beispielsweise für den Betrachtungszeitraum
Transistor 2a dauernd eingeschaltet und die Transistoren 2b und 2c dauernd
ausgeschaltet, so kann zum Beispiel durch entsprechende pulsweitenmodulierte
Ansteuersignale an Transistor 2d eine definierte mittlere
Differenzspannung an den Ausgängen
U und V erzeugt werden. Werden die beiden Ausgänge U und V an einen Gleichstrommotor angeschlossen,
so wird sich ein geglätteter
mittlerer Gleichstrom durch die Wicklungen des Motors 04 einstellen.
Für einen
Weiteren Betrachtungszeitraum ist es zum Beispiel möglich, einen
Gleichstrom mit zu dem im erstgenannten Beispiel umgekehrten Vorzeichen
zu erzeugen, in dem Transistor 2c dauernd ein-/die Transistoren 2a und 2d dauernd
ausgeschaltet sind und eine pulsweitenmodulierten Ansteuerung des
Transistors 2b vorgenommen wird.
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Des
Weiteren umfasst die in 1 dargestellte Ansteuerschaltung
eine Notbetriebversorgungseinrichtung 03. Diese ist über ein
Netz-Schaltelement 12 mit
den Zwischenkreispotentialen 16 und 17 verbunden,
dabei ist das Netz-Schaltelement 12 im Normalbetrieb geöffnet. Im
Falle eines geschlossenen Netz-Schaltelements 12 kann bei
anliegender Netzspannung die Notbetriebversorgungseinrichtung 03 aufgeladen
werden oder beispielsweise beim Ausfall der Netzspannung den Zwischenkreis
mit Hilfe der Notbetriebversorgungseinrichtung 03 mit Spannung
versorgt werden, so dass der angeschlossene Gleichstrommotor 04 und
die Haltebremse 07 über
den Dreibrücken-Wechselrichter 01 betrieben werden
kann.
-
Der
Gleichstrommotor 04 ist mit seinen beiden Klemmen über ein
Notbetrieb-Motor-Umschaltelement 13 zum einen mit den Ausgängen U und
V des Dreibrücken-Wechselrichters 01,
zum anderen mit den Notbetriebpotentialen der Notbetriebversorgungseinrichtung 03 verbunden.
-
Die
Haltebremse 07 ist mit ihren beiden Klemmen über ein
Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement 14 mit
einem Ausgang W des Dreibrücken-Wechselrichters 01 sowie
mit dem Zwischenkreis-Potentialausgang 11 verbunden und über das Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement 14 des
Weiteren mit den Notbetriebspotentialen der Notbetriebversorgungseinrichtung 03.
Parallel zur Haltebremse 07 ist eine Haltebremseschutzbeschaltung 06 angeschlossen,
die die Haltebremse 07 vor Überlastung schützt. Die
Haltebremse 07 umfasst eine Haltebremsemagnetspule 05.
Mit dieser Konfiguration ist es insbesondere möglich, die mittlere Spulenspannung
oder die Spulenströme
der Haltebremse 07 auch bei zeitlich veränderten
Sollwertprofilen vorzugeben. So ist beispielsweise durch eine Anhebung des
Stroms zu Beginn der Ansteuerung ein schnelleres und sicheres Lösen der
Bremse möglich,
während
für das
Halten der Bremse nur ein reduzierter Strom erforderlich ist. Die
Schutzbeschaltung 06 schützt dabei die Haltebremsenmagnetspule 05 der Haltebremse 07 vor Überspannungen
aufgrund von Schaltungsvorgängen
oder parasitären
Induktivitäten.
-
In
der dargestellten Konfiguration sind an den Wechselrichteranschlussausgängen U,
V und W Strommesseinrichtungen 08, 09 und 10 nachgeschaltet,
die die abgehenden Ströme
zum Gleichstrommotor und zur Haltebremse im Normalbetrieb messen.
Mit Hilfe der Strommesseinrichtungen 08, 09 und 10 sind
somit Überlastungen,
Fehlverhalten und weitere Betriebsparameter von Haltebremse 07 (durch
Strommesseinrichtung 10) und Motor 04 (durch die
Strommesseinrichtungen 08, 09) feststellbar.
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Im
Normalbetrieb, das heißt
bei angelegter Netzspannung und funktionierendem Dreibrücken-Wechselrichter 01,
ist das Netz-Schaltelement 12 geöffnet oder, falls die Notbetriebversorgungseinrichtung 03 aufgeladen
werden muss, geschlossen, um die aufladbare Gleichspannungsquelle
der Notbetriebversorgungseinrichtung 03 mit Hilfe der Zwischenkreis-Potentialspannung
UZK+ 16, UZK– 17 aufzuladen.
Die beiden Umschaltelemente 13 und 14 des Gleichstrommotors 04 und
der Haltebremse 07 verbinden diese Verbraucher mit den
Wechselrichteranschlussklemmen U, V, W sowie die Haltebremse 07 mit
dem Zwischenkreispotential UZK– über die Klemme 11.
Der Motor 04 ist dabei zwischen den Halbbrücken 02a–02b und 02c–02d geschaltet,
und die Haltebremse 07 unabhängig vom Motor 04 mit der
Halbbrücke 02e–02f und
dem Zwischenkreispotential UZK– angeschlossen.
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Tritt
eine Störung,
zum Beispiel ein Ausfall des Versorgungsnetzes auf, so kann das
Notbetrieb-Netz-Schaltelement 12 geschlossen werden und
die Notbetriebversorgungseinrichtung 03 kann den Zwischenkreis 17, 18 mit
Spannung versorgen. In diesem Fall bleiben die beiden Umschaltelemente 13 und 14 in
ihrer bisherigen Schaltposition und Motor 04 und Haltebremse 07 bleiben
mit dem Dreibrücken-Wechselrichter 01 verbunden.
-
Wird
jedoch beispielsweise durch die Strommesseinrichtungen 08, 09,
und/oder 10 festgestellt, dass der Wechselrichter 01 ausgefallen
ist, wie es bei einem Blitzschlag vorkommen kann, so können die beiden
Notbetriebsumschaltelemente 13 des Motors 04 und 14 der
Haltebremse 07 auf die Notbetriebspotentiale der Notbetriebversorgungseinrichtung 03 umschalten.
Somit ist der Dreibrücken-Wechselrichter 01 von
den beiden elektrischen Verbrauchern, Motor 04 und Haltebremse 07,
entkoppelt. Wird dabei zusätzlich
die Notbetriebversorgungseinrichtung 03 durch das Notbetrieb-Netz-Schaltelement 12 von
den Zwischenkreispotentialen 16 und 17 getrennt,
so kann ein gefahrloser Austausch des Dreibrücken-Wechselrichters 01 ohne Eingriff
in den Betrieb der Rotorverstellvorrichtung vorgenommen werden.
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Im
Normalbetrieb ist das Notbetrieb-Netz-Schaltelement 12 geöffnet, um
die Notbetriebversorgungseinrichtung 03 vom Zwischenkreis abzukoppeln.
Des Weiteren bleibt das Notbetrieb-Netz-Schaltelement 12 in
der Anfahrphase der Ansteuerschaltung sowie nach Abschluss einer
Betriebsumschaltung von Not- in Normalbetrieb geöffnet. Lediglich im Fall eines
Notbetriebs, bei dem Gleichstrommotor 04 und/oder Haltebremse 07 über den
Dreibrücken-Wechselrichter 01 angesteuert
werden, sowie im Aufladebetrieb, wenn die Notbetriebversorungseinrichtung 03 über den
Zwischenkreis 16, 17 aufgeladen wird, ist das
Notbetrieb-Netz-Schaltelement 12 geschlossen.
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Das
Notbetrieb-Motor-Umschaltelement 13 verbindet im Normalbetrieb
sowie im Notbetrieb über den
Dreibrücken-Wechselrichter 01 den Gleichstrommotor 04 mit
den Ausgangsklemmen des Dreibrücken-Wechselrichters 01.
Im Falle eines Notbetriebs bei direkter Ansteuerung des Gleichstrommotors 04 durch
die Notbetriebversorgungseinrichtung 03 schaltet das Notbetrieb-Motor-Umschaltelement 13 die
Versorgungsklemmen des Gleichstrommotors 04 auf die Notbetriebspotentiale
der Notbetriebsversorgungseinrichtung 03 um.
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Das
Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement 04 versorgt im Normalbetrieb
und im Notbetrieb unter Verwendung des Dreibrücken-Wechselrichters 01 die
Haltebremse 07 mit Strom des Dreibrücken-Wechselrichters 01.
Lediglich im Notbetrieb unter Umgehung des Dreibrücken-Wechselrichters 01, d.h.
bei direkter Ansteuerung durch die Notbetriebversorgungseinrichtung 03,
schaltet das Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement 04 die
Anschlüsse der
Haltebremse 07 auf die Notbetriebspotentiale der Notbetriebversorgungseinrichtung 03 um.
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Eine Überwachungs-
und Steuervorrichtung, die in diesem Bild nicht dargestellt ist,
kann unter Berücksichtigung
der Ströme,
die durch die Strommesseinrichtungen 08, 09 und 10 festgestellt
werden, den Haltestrom der Bremse 07 sowie den Betriebsstrom des
Motors 04 überwachen
und somit die Ansteuerung der Halbbrücken-Leistungsschaltelemente 02 regeln,
um einen optimalen Betrieb der Verstellvorrichtung zu gewährleisten.
-
Im
Fall eines kurzzeitigen oder längeren
Netzausfalles ist durch eine rückwärtige Versorgung
des Zwischenkreises über
das Notbetrieb-Netz-Schaltelement 12 durch
die Notbetriebversorgungseinrichtung 03 eine Aufrechterhaltung
aller vorteilhaften Eigenschaften des Antriebssystems, wie zum Beispiel Regelung
des Motorstroms oder dynamische Regelung des Spulenstroms der Haltebremse 07 möglich. Bei
Ausfall des Dreibrücken-Wechselrichters 01 oder der
Ansteuerelektronik der Überwachungs- und Steuerungsvorrichtung,
kann ein Notbetrieb dadurch realisiert werden, dass bei geöffnetem
Notbetrieb-Netz-Schaltelement 12 und auf die Notbetriebpotentialkreis
geschalteten Umschaltelementen 13 und 14 zumindest
ein geordnetes Verfahren der Antriebsvorrichtung in eine sichere
Stillstandsposition ermöglicht
wird. Aus Gründen
der Zuverlässigkeit kann
es dabei sinnvoll sein, für
diesen Notbetrieb eine autarke Elektronik, zum Beispiel als Bestandteil der
Notbetriebsversorgungseinrichtung 03 vorzusehen, die zumindest
im Fehlerfall die Funktion der gewöhnlichen Steuerelektronik,
die der Ansteuerung der Halbbrücken
des Dreibrücken-Wechselrichters 01 dient, übernimmt
und selbständig
eine Ansteuerung der Schalt- und Umschaltelemente 12, 13 und 14 vornimmt.
Sie kann des Weiteren die Steuerung der Leistungsschaltelemente 02 des
Dreibrücken-Wechselrichters 01 vornehmen.
Weitere Zusatzschaltungen, die zum Beispiel eine Strombegrenzung
oder Regelung nach Schließen
der Umschaltkontakte 12, 13 oder 14 sicherstellen,
sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
-
In 2 ist
eine weitere alternative Ausführungsform
einer Ansteuerschaltung dargestellt. Dabei entspricht der obere
Teil der Ansteuerschaltung, die den Dreibrücken-Wechselrichter 01,
den Zwischenkreis mit den Potentialen 16 und 17,
den Zwischenkreiskondensator 15, sowie die Notbetriebversorgungseinrichtung 03,
das Schaltelement 12, die Umschaltelemente 13 und 14 und
die Strommesseinrichtungen 08, 09 und 10 umfassen,
dem Teil der in 1 dargestellten Topologie. Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
ist die Gleichrichterbrückenschaltung
zur Versorgung des Zwischenkreises durch die drei Phasen des Vorsorgungsnetzes
nicht dargestellt.
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Hauptaugenmerk
bei der Beschreibung dieser Topologie wird auf die Beschaltung des
Motors 04 in Bezug auf die Gleichstrombremse 07 und
die zusätzliche
Motor-Nebenschlusswicklung 18 gelegt. Der Gleichstrommotor 04 ist
ebenso wie in der Ausführungsform
in 1 über
das Notbetrieb-Motor-Umschaltelement 13 mit den beiden
Halbbrücken 02a-02b und 02c–02d des
Dreibrücken-Wechselrichters 01 verbunden.
Er ist des Weiteren mit einer Nebenschlusswicklung 18 ausgestattet,
die parallel zur Haltebremse 07 angeschlossen ist. Die
Nebenschlusswick lung 18 des Motors 04 ist damit
bei geöffnetem,
das heißt
bestromten Zustand der Haltebremse 07 aktiv. Dabei können nicht
dargestellte zusätzliche
Komponenten in Reihe, oder parallel zur Nebenschlusswicklung und
auch zur Haltebremsenmagnetspule 05 der Haltebremse 07 geschaltet
werden, zusätzlich
zur Haltebremsenschutzbeschaltung 06. Beispielsweise ist
eine Anpassung der Nennspannung der Haltebremsenmagnetspule 05 auf
die notwendige Betriebsspannung der Nebenschlusswicklung 18 denkbar.
Dabei kann die Nebenschlusswicklung 18, ähnlich einer
fremderregten Wicklung eines Gleichstrommotors betrieben werden
und unabhängig
von der Betriebsspannung des Gleichstrommotors 04 erregt
werden. Somit ergibt sich ein hoher Grad an schallungstechnischer
Flexibilität
beim Betrieb des Gleichstrommotors 04, da seine Nebenschlusswicklung 18 nur
von der Betriebsspannung der Haltebremse 07 abhängt. Damit
ist ein weiterer schallungstechnischer Freiheitsgrad beim Betrieb
des Gleichstrommotors 04 gegeben.
-
Die
in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich
von den in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsformen
hinsichtlich der Beschaltung der Gleichstromnebenschlusswicklung 18 des
Gleichstrommotors 04. In der in 3 dargestellten
Realisierung ist eine Klemme der Nebenschlusswicklung 18 an
einer Klemme des Gleichstrommotors 04 angeschlossen und
die zweite Klemme der Nebenschlusswicklung 18 an der Gleichstrompotentialklemme
der Haltebremsemagnetspule 05 der Haltebremse 07 angeschlossen.
Somit liegt die Nebenschlusswicklung 18 zwischen dem Abgriff
V der durch die beiden Leistungsschaltelemente 02c und 02d gebildeten
Halbbrücke
des Wechselrichters 01 und der Klemme 11 des Zwischenkreispotentials UZK– 18.
Ihr Verhalten hängt
dabei direkt von dem Ansteuerverhalten des Gleichstrommotors 04,
und damit von der Potentialdifferenz zwischen den Klemmen V und 11 des
Dreibrücken-Wechselrichters 01 ab.
In diesem Fall kann die Haltebremse 07 unabhängig von
der Motor-Nebenschlusswicklung 18 betrieben werden. Somit
lässt sich
in gewissen Bereichen der Motor 04, die Neben schlusswicklung 18 und
die Haltebremse 07 unabhängig voneinander ansteuern und
regeln.
-
In
einem letzten dargestellten Ausführungsbeispiel
in 4 sind sowohl Gleichstrommotor 04 als
auch Nebenschlusswicklung 18 und Haltebremse 07 zumindest
mit einer Klemme an der durch die beiden Leistungsschaltelemente 02c und 02d gebildeten
Halbbrücken
des Dreibrücken-Wechselrichters 01 über die
Klemme V angeschlossen. Dabei ist entsprechend dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
die zweite Klemme der Motor-Nebenschlusswicklung 18 und
die zweite Klemme der Haltebremse 07 über das Notbetrieb-Bremse-Umschaltelement 14 über die
Klemme 11 mit dem Zwischenkreispotential UZK– 18 verbunden.
Der Vorteil dieser Ausführungsform
liegt darin, dass lediglich zwei Halbbrücken des Dreibrücken-Wechselrichters
zum Betrieb von Gleichstrommotor 04, Nebenschlusswicklung 18 und Haltebremse 07 benötigt werden,
so dass die durch die beiden Leistungsschaltelemente 02e und 02f gebildete
Halbbrücke
unbenutzt bleibt und daher für weitere
Steuer- oder Regelungsaufgaben zur Verfügung steht. In dieser Ausführungsform
hängt das
Verhalten der Haltebremse 07 und der Motor-Nebenschlusswicklung 18 von
einer der beiden Versorgungsleitungen des Gleichstrommotors 04 in
Bezug auf das Potential UZK– ab.
Ein völlig
unabhängiger Betrieb
der drei Bauelemente ist dadurch nur eingeschränkt möglich, jedoch ergibt sich der
Vorteil einer zur freien Verfügung
stehenden Halbbrücke.
-
Im
Hinblick auf die zugrunde liegende erfinderische Idee sind weitere
Anschlussvarianten denkbar, so beispielsweise, ausgehend von der
in 4 dargestellten Schaltungskonfiguration, der Anschluss
eines zweiten Gleichstrommotors oder weiterer zusätzlicher
Verbraucher an den Abgriff W der unbenutzten Halbbrücke 02e–02f.
Des Weiteren ist es sehr wohl denkbar, dass der Gleichstrommotor
nur mit einer Klemme an einer Halbbrücke angeschlossen ist und beispielsweise über ein
Umschaltelement mit der anderen Klemme entweder mit dem Zwischenkreispotential UZK– 17 oder
mit dem Zwischenkreispotential UZK+ 16 verbunden ist, so
dass ein Links-, Rechtsbetrieb des Motors durch Zwischenschaltung
eines Polwendeelements realisierbar ist und eine Ansteuerung bezüglich der
Höhe der Betriebsspannung
durch gezielte Beeinflussung der Halbbrücke möglich wäre. Hierdurch würde eine
weitere Halbbrücke
des Dreibrücken-Wechselrichters eingespart,
diese könnte
für zusätzliche
Regelungs- oder Steueraufgaben verwendet werden. Weitere Schaltungsvariationen
in dieser Art sind denkbar.