DE102008008046A1 - Schaltungsanordnung zum selektiven Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum selektiven Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen (1, 2), die jeweils über mehrere Phasenleitungen versorgt werden, umfassend: - ein Spannungsschutzmodul (5) zur Begrenzung einer Zwischenkreisspannung, - eine Schalteranordnung (4) zum Auswählen einer der elektrischen Maschinen durch Umschalten der Phasenleitungen; - erste Drosselinduktivitäten (8) in jeder der mehreren Phasenleitungen zwischen der Schalteranordnung (4) und dem Spannungsschutzmodul (5), wobei parallel zu einer oder mehrerer der ersten Drosselinduktivitäten (8) jeweils eine zweite Drosselinduktivität (9') abhängig von der ausgewählten elektrischen Maschine (1, 2) zuschaltbar ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen mit unterschiedlichem Induktivitätsbedarf an einem Umrichter-Leistungsteil.
- In der Werkzeugmaschinenindustrie, speziell bei Bearbeitungszentren, besteht immer mehr die Notwendigkeit, mindestens zwei Spindeln mit den entsprechenden Antrieben an einem Leistungsteil zu betreiben. In diesem Fall werden für die Bearbeitung z. B. Schruppen und Feinbearbeitung/Schlichtvorgang verschiedenen Spindeln, die jeweils durch eine elektrische Maschine angetrieben werden, eingesetzt. Die Auswechslung der Spindeln erfolgt in der Regel über einen Werkzeugroboter. Dabei sollen die zwei durch Synchronmotoren angetriebenen Spindeln kostengünstig an einem Leistungsteil betrieben werden.
- Die elektrischen Maschinen sind häufig als Synchronmotoren ausgeführt. Aufgrund der Notwendigkeit, die elektrischen Maschinen mit einer bestimmten Leistung im Feldschwächbereich zu betreiben, ist eine Drosselinduktivität als Vorschaltdrossel (Vorschaltinduktivität) erforderlich, die der Induktivität der jeweiligen elektrischen Maschine angepasst sein muss. Daher wird eine kostengünstige Verschaltung der Drosselinduktivitäten und der elektrischen Maschinen für die beiden Betriebsfälle gesucht.
- Im Fall eines Ausfalls des Leistungsteils/Antriebstellers (Impulslöschung) bei einer Maximaldrehzahl der elektrischen Maschine wirkt diese wie ein Generator. Hierbei kann eine Generatorspannung (EMK) bis zu mehreren kV entstehen, die weitere Komponenten im Ansteuerkreis schädigen oder zerstören kann. Ein Spannungsschutzmodul VPM (VPM: Voltage Protection Module) begrenzt diese Spannung, z. B. auf maximal 830 V, dadurch, dass die drei Phasenleitungen im entsprechenden Fall kurzgeschlossen werden. Die Schaltung zum Ansteuern der elektrischen Maschinen einschließlich der zugeordneten Drosselinduktivitäten muss daher derart gewählt sein, dass auch bei Spannungsausfall eine sichere Begrenzung der Generatorspannung gewährleistet ist.
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine vorteilhafte Verschaltung der oben genannten Komponenten zur Verfügung zu stellen, wobei die Anzahl der erforderlichen Komponenten auf ein Minimum reduziert werden soll und die Funktion des Spannungsschutzmoduls für den Betrieb beider elektrischer Maschinen gewährleistet bleibt.
- Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, sowie durch ein Antriebssystem und ein Verfahren zum Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Gemäß einem Aspekt ist eine Schaltungsanordnung zum selektiven Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen, die jeweils über mehrere Phasenleitungen versorgt werden, umfassend:
- – ein Spannungsschutzmodul zur Begrenzung einer Zwischenkreisspannung,
- – eine Schalteranordnung zum Auswählen einer der elektrischen Maschinen durch Umschalten der Phasenleitungen;
- – erste Drosselinduktivitäten in jeder der mehreren Phasenleitungen zwischen der Schalteranordnung und dem Spannungsschutzmodul,
- Die Schaltungsanordnung ermöglicht in vorteilhafter Weise, die Anzahl der Komponenten, die für einen Betrieb von zwei elektrischen Maschinen an einem Leistungsteil benötigt werden, zu reduzieren.
- Weiterhin kann das Spannungsschutzmodul ausgebildet sein, um die Phasenleitungen abhängig von einer Zwischenkreisspannung kurzzuschließen.
- Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Drosselinduktivität durch ein Schütz abhängig von einem Schaltsignal zuschaltbar sein, wobei das Schaltsignal zum Ansteuern der Schalteranordnung vorgesehen ist.
- Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Antriebssystem mit der obigen Schaltanordnung und mit mehreren elektrischen Maschinen vorgesehen.
- Dabei können die ersten Drosselinduktivitäten derart ausgelegt sein, dass eine erste der elektrischen Maschinen im Feldschwächebetrieb betreibbar ist, und die zweiten Drosselinduktivitäten können derart ausgelegt sind, dass eine zweite der elektrischen Maschinen bei in mindestens einer der Phasenleitungen parallel geschalteter erster und zweiter Drosselinduktivität im Feldschwächebetrieb betreibbar ist, wobei bei Auswählen der ersten elektrischen Maschine die zweiten Drosselinduktivitäten nicht zugeschaltet sind und wobei bei Auswählen der zweiten elektrischen Maschine die zweiten Drosselinduktivitäten zugeschaltet sind.
- Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum selektiven Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen vorgesehen, die jeweils über mehrere Phasenleitungen versorgt werden, und wobei ein Spannungsschutzmodul zur Begrenzung einer Zwischenkreisspannung vorgesehen ist, wobei eine der elektrischen Maschinen durch Umschalten der Phasenleitungen ausgewählt wird, wobei parallel zu einer oder mehreren ersten Drosselinduktivitäten, die in jeder der mehreren Phasenleitungen zwischen der Schalteranordnung und dem Spannungsschutzmodul angeordnet sind, jeweils eine zweite Drosselin duktivität abhängig von der ausgewählten elektrischen Maschine zugeschaltet wird.
- Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit zwei auswählbaren Motoren; -
2 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit zwei auswählbaren Motoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
1 zeigt schematisch eine Grundschaltung100 zum Betreiben von zwei Motoren1 ,2 an einem Leistungsteil3 . Einer der Motoren1 ,2 wird durch einen Auswahlschalter4 ausgewählt. Das Leistungsteil3 ist über ein Spannungsschutzmodul (VPM, Voltage Protection Module)5 mit einem ersten Umschalter6 und einem zweiten Umschalter7 mit den Motoren1 ,2 verbunden. Die Umschalter sind als Schütze ausgebildet. Zwischen dem ersten Umschalter6 und dem zweiten Umschalter7 befinden sich für jede Phasenleitung eine erste Drosselinduktivität und eine zweite Drosselinduktivität8 ,9 , wobei die Umschalter6 ,7 so geschaltet werden, dass entweder die ersten Drosselinduktivitäten8 oder die zweiten Drosselinduktivitäten9 in die Phasenleitungen zwischen dem Spannungsschutzmodul5 und dem jeweiligen Motor1 ,2 geschaltet werden. - Das Spannungsschutzmodul
5 ist ein Sicherheitsmodul und sorgt dafür, dass im Umrichterzwischenkreis keine höheren Spannungen als 830 V entstehen können, somit trägt das Spannungsschutzmodul VPM in erster Linie zum Umrichterschutz bei, außerdem sorgt es dafür, dass die Spindel in einer definierten Zeit gebremst wird. Dies wird durch Kurzschließen der drei Phasenleitungen erreicht. - Die in
1 gezeigte Schaltung weist weiterhin die folgenden Merkmale auf:
Die Motoren entsprechen beispielsweise Spindelmotoren und sind in Synchrontechnik ausgeführt, d. h., dass sich im Rotor Permanentmagnete befinden, die die Erregung des Motors erzeugen. - Aufgrund der Notwendigkeit, die Motoren mit einer bestimmten Leistung im Feldschwächungsbereich zu betreiben, sind die vorgeschalteten Drosselinduktivitäten erforderlich, die jeweils an die Induktivität des jeweiligen Motors
1 ,2 angepasst sein muss. - Im worst-case-Fall – wie z. B. Ausfall des Leistungsteils/Antriebstellers (Impulslöschung) bei der Maximaldreh-zahl des Motors – wirkt der Motor wie ein Generator. Hierbei kann eine EMK bis zu 2 kV entstehen. Das Spannungsschutzmodul
5 begrenzt diese Spannung auf maximal 830 V dadurch, dass die drei Phasenleitungen (Leistungsleitungen) kurzgeschlossen werden. - Die Schaltung/Anordnung der Komponenten (Schütze, VPM) muss derart gewählt sein, dass auch bei Spannungsausfall eine sichere Begrenzung der EMK auf den Phasenleitungen gewährleistet ist.
- Im Folgenden werden die Anforderungen an die Verschaltung der eingesetzten Komponenten aufgeführt:
Es werden zwei Motoren (Spindeln) mit verschiedenen Parametern im Feldschwächungsbereich mit unterschiedlichen Drosselinduktivitäten (Vorschaltdrosseln)8 ,9 an einem Leistungsteil3 betrieben. Dabei ist immer nur ein Motor1 ,2 in Betrieb. - Aufgrund von Kosten soll möglichst nur ein Spannungsschutzmodul
5 zur Anwendung kommen. - Zwei Drosselinduktivitäten je Phasenleitung sind erforderlich, um die beiden Motoren im Feldschwächungsbereich sicher betreiben zu können.
- Entsprechende Verschaltung der Umschalter
6 ,7 mit den Drosselinduktivitäten8 ,9 müssen die Verbindung zum Motor1 ,2 herstellen. - Vorzugsweise soll gewährleistet sein, dass bei Spannungsausfall das Spannungsschutzmodul
5 mit dem Motor (Spindel)1 ,2 verbunden bleibt, um die Begrenzung der EMK auf 830 V zu gewährleisten. Dies ist im obigen Vorschlag der1 nicht erfüllt, da die als Schütze ausgebildeten Umschalter6 ,7 im Fehlerfall abfallen. Außerdem würden die hohen Spannungsspitzen die Kontakte der Schütze beschädigen. Somit wären eine Begrenzung der EMK und eine sichere Bremsung des entsprechenden Motors1 ,2 im Fehlerfall nicht gewährleistet. -
2 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bezugszeichen entsprechen Komponenten gleicher oder vergleichbarer Funktion. - Die Schaltungsanordnung
101 der zu verschaltenden Komponenten wurde derart gewählt, dass der worst-case-Fall eines Ausfalls des Leistungsteils3 sowohl bei Betrieb des Motors1 als auch des Motors2 sicher beherrscht wird und somit keine unsicheren Zustände auftreten können. - Bei der Ausführungsform der
2 ist das Spannungsschutzmodul5 mit dem Leistungsteil3 über drei Phasenleitungen verbunden. Das Spannungsschutzmodul5 ist mit einem einer Motoranordnung mit mehreren Motoren1 ,2 über drei Phasenleitungen verbunden. Die Motoranordnung umfasst die über das gemeinsame Leistungsteil3 anzusteuernden Motoren1 ,2 , wobei die Motoren nur einzeln an dem Leistungsteil3 betreibbar sind. Dazu weist die Motoranordnung einen Umschalter4 auf, der entsprechend einer Vorgabe den jeweiligen Motor1 ,2 auswählt und mit den Phasenleitungen von dem Spannungsschutzmodul5 verbindet. - In den Phasenleitungen zwischen dem Spannungsschutzmodul
5 und dem Umschalter4 befinden sich jeweils eine erste Drosselinduktivität8 . - Parallel zu jeder der ersten Drosselinduktivitäten
8 sind zweite Drosselinduktivitäten9' über einen jeweiligen Schalter10 zuschaltbar. Der Schalter10 wird abhängig von dem Schalten des Umschalters4 geschaltet und vorzugsweise mit demselben Signal angesteuert. - Der worst-case-Fall kann z. B. zustande kommen, wenn einer der Motoren
1 ,2 mit Maximaldrehzahl läuft und genau zu diesem Zeitpunkt der im Leistungsteil3 befindliche Umrichter aufgrund eines Netzspannungsausfalls oder eines anderen Fehlers durch Impulslöschung ausfällt. - Drosselinduktivitäten
8 ,9' sind erforderlich, um den Motor bei einer bestimmten Leistung im Feldschwächungsbereich zu betreiben. Die Induktivität der entsprechenden Drosselinduktivitäten8 ,9' ist von der Leistung des damit zu betreibenden Motors1 ,2 , dem gefahrenen Feldschwächungsbetrieb und der erreichbaren Maximaldrehzahl des Motors abhängig. - Ein Vorteil der Schaltungsanordnung der
2 besteht darin, dass die Verschaltung der Komponenten so gewählt wurde, dass die Anforderungen (Begrenzung der EMK im worst-case-Fall) sicher gewährleistet werden. Dies wird durch die stets durchgängige und nicht getrennte Verbindung zwischen dem Spannungsschutzmodul5 , den ersten Drosselinduktivitäten8 und des gerade ausgewählten Motors1 ,2 erreicht. Dies ist insbesondere auch dann gewährleistet, wenn z. B. durch Spannungsausfall der z. B. als Schütz ausgebildete Schalter10 seine Schaltstellung verändert. - Die Schaltung hat außerdem den Vorteil, dass ein zusätzliches Schütz zwischen dem Spannungsschutzmodul
5 und den Drosselinduktivitäten8 ,9' nicht erforderlich ist, wodurch die Gesamtanzahl der Komponenten reduzierbar ist. - Der Schalter
10 wird nur bei Einsatz des Motors2 leitend geschaltet. Hiermit wird über die zugeschaltete Drossel9' die erforderliche Gesamtinduktivität für Motor2 hergestellt, wobei sich als Gesamtinduktivität in jeder Phasenleitung die Induktivität der Parallelschaltung von Induktivität8 und Induktivität9' ergibt. - Tritt nun der oben beschriebene worst-case-Fall ein, kann der Motorstrom immer über die Drosselinduktivität
8 über das Spannungsschutzmodul5 fließen und somit wird die EMK des Motors2 sicher begrenzt. - Als Anzahl der Phasenleitungen ist in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen drei angenommen, wobei die Anzahl der Phasenleitungen auch größer oder kleiner sein kann. Weiterhin können anstelle von nur zwei Motoren eine beliebige Anzahl von Motoren vorgesehen werden, die einzeln auswählbar sind. Abhängig von dem ausgewählten Motor werden entweder keine zweiten Drosselinduktivitäten oder die dem jeweiligen Motor zugeordneten zweiten Drosselinduktivitäten
9' parallel zu den ersten Drosselinduktivitäten8 geschaltet.
Claims (6)
- Schaltungsanordnung (
101 ) zum selektiven Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen (1 ,2 ), die jeweils über mehrere Phasenleitungen versorgt werden, umfassend: – ein Spannungsschutzmodul (5 ) zur Begrenzung einer Zwischenkreisspannung, – eine Schalteranordnung (4 ) zum Auswählen einer der elektrischen Maschinen durch Umschalten der Phasenleitungen; – erste Drosselinduktivitäten (8 ) in jeder der mehreren Phasenleitungen zwischen der Schalteranordnung (4 ) und dem Spannungsschutzmodul (5 ), dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu einer oder mehrerer der ersten Drosselinduktivitäten (8 ) jeweils eine zweite Drosselinduktivität (9' ) abhängig von der ausgewählten elektrischen Maschine (1 ,2 ) zuschaltbar ist. - Schaltungsanordnung (
101 ) nach Anspruch 1, wobei das Spannungsschutzmodul5 ) ausgebildet ist, um die Phasenleitungen abhängig von einer Zwischenkreisspannung kurzzuschließen. - Schaltungsanordnung (
101 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Drosselinduktivität (9' ) durch ein Schütz abhängig von einem Schaltsignal zuschaltbar ist, wobei das Schaltsignal zum Ansteuern der Schalteranordnung (4 ) vorgesehen ist. - Antriebssystem mit einer Schaltungsanordnung (
101 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und mit mehreren elektrischen Maschinen (1 ,2 ). - Antriebssystem nach Anspruch 4, wobei die ersten Drosselinduktivitäten (
8 ) ausgelegt sind, dass eine erste der elektrischen Maschinen (1 ) im Feldschwächungsbetrieb betreibbar ist, und wobei die zweiten Drosselinduktivitäten (9' ) ausgelegt sind, dass eine zweite der elektrischen Maschinen (2 ) bei in mindestens einer der Phasenleitungen parallel geschalteter erster und zweiter Drosselinduktivität (8 ,9' ) im Feld schwächebetrieb betreibbar ist, wobei bei Auswählen der ersten elektrischen Maschine (1 ) die zweiten Drosselinduktivitäten (9' ) nicht zugeschaltet sind und wobei bei Auswählen der zweiten elektrischen Maschine (2 ) die zweiten Drosselinduktivitäten (9' ) zugeschaltet sind. - Verfahren zum selektiven Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen (
1 ,2 ), die jeweils über mehrere Phasenleitungen versorgt werden, wobei ein Spannungsschutzmodul (5 ) zur Begrenzung einer Zwischenkreisspannung vorgesehen ist, und wobei eine der elektrischen Maschinen (1 ,2 ) durch Umschalten der Phasenleitungen mittels einer Schaltanordnung (4 ) ausgewählt wird, wobei parallel zu einer oder mehrerer ersten Drosselinduktivitäten (8 ), die in jeder der mehreren Phasenleitungen zwischen der Schalteranordnung (4 ) und dem Spannungsschutzmodul (5 ) angeordnet sind, jeweils eine zweite Drosselinduktivität (9' ) abhängig von der ausgewählten elektrischen Maschine (1 ,2 ) zugeschaltet wird.
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R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination | ||
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Effective date: 20150210 |