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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Festdrehzahl-Antrieb.
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Im
Handel erhältliche
Festdrehzahl-Antriebe bestehen aus einem Asynchronmotor und einer Stern-Dreieck-Anlassschaltung
oder einem Sanftstarter. Der Wirkungsgrad von Asynchronmotoren ist gegenüber Synchromotoren
deutlich geringer. Synchromotoren können allerdings nicht mittels
einer Stern-Dreieck-Anlassschaltung
oder einem Sanftstarter anlaufen. Um Synchromotoren anlaufen zu
lassen, muss entweder der Synchromotor mit einem Anlaufkäfig versehen
werden, oder der Synchromotor wird von einem Spannungszwischenkreis-Umrichter gespeist,
wie bei einem Drehzahlveränderbarem
Antrieb. Durch den Anlaufkäfig
verschlechtert sich die Ausnutzung des Motors. Wird ein Umrichter
verwendet, so verschlechtert sich deutlich der Gesamt-Wirkungsgrad
des Festdrehzahl-Antriebs.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb mit einem
Synchronmotor anzugeben, der mit fester Drehzahl bei einem maximalen Wirkungsgrad
betrieben werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Um
einen Antrieb mit einem hohen Wirkungsgrad zu erhalten, wird als
Synchronmotor ein permanenterregter Synchronmotor vorgesehen. Damit
dieser auch anlaufen kann, wird ein Spannungszwischenkreis-Umrichter
mit einer Schaltvorrichtung verwendet, mit der wechselspannungsseitige
Anschlüsse
des selbstgeführten
Pulsstromrichters, an denen der permanenterregte Synchronmotor angeschlossen
ist, mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen des Diodengleichrichters,
an denen ein speisendes Netz angeschlossen ist, verbunden werden
können.
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Durch
diese Schaltvorrichtung wird der Spannungszwischenkreis-Umrichter
nur für
den Hochlauf des permanenterregten Synchronmotors benutzt. Aus diesem
Grund kann dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter sehr kostengünstig ausgeführt sein.
Das heißt,
dass der Umrichter keinen Lüfter
mehr benötigt
und dass weitestgehend auf einen Kühlkörper verzichtet werden kann.
Außerdem
sind keine Schnittstellen zur Steuerung des Spannungszwischenkreis-Umrichters
mehr erforderlich. Ferner ist es nicht erforderlich, eine Netzspannung
eines speisenden Netzes, an dem der hochgelaufene permanenterregte
Synchronmotor angeschlossen ist, zu erfassen. Somit kann der Spannungszwischenkreis-Umrichter
derart kompakt aufgebaut werden, dass dieser mit dem Motor eine
Baueinheit bildet. Beispielsweise kann dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter
in einem Klemmenkasten, insbesondere einem vergrößerten Klemmenkasten, des permanenterregten
Synchronmotors untergebracht werden.
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Die
Schaltvorrichtung weist pro Phase des permanenterregten Synchronmotors
bzw. des selbstgeführten
Pulsstromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters einen Kontakt
auf. Durch die erfindungsgemäße Anordnung
der Kontakte dieser Schaltvorrichtung im Spannungszwischenkreis-Umrichter
werden diese Kontakte der Schaltvorrichtung stromlos eingeschaltet.
Beim Ausschalten dieser Kontakte kommutiert der Motorstrom auf einen
Zwischenkreis-Kondensator des Spannungszwischenkreis-Umrichters. Somit
können
die Kontakte dieser Schaltvorrichtung sehr kostengünstig ausgeführt werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Festdrehzahl-Antriebs
ist die Steuerung des Spannungszwischenkreis-Umrichters mit einem Ein-/Ausschalter
versehen. Dadurch erfolgt das Hochfahren des permanenterregten Synchronmotors
nicht mehr automatisch beim Anlegen einer Netzspannung eines speisenden
Netzes. Erst wenn der Ein-/Ausschalter betätigt wird, wird der permanenterregte Synchronmotor
hochgefahren. Dadurch kann auf ein vorgelagertes Netzschütz verzichtet
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
des Festdrehzahl-Antriebs
sind den Unteransprüchen
4 bis 7 zu entnehmen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Festdrehzahl-Antriebs
schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform des Festdrehzahl-Antriebs
nach der Erfindung, die
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2 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festdrehzahl-Antriebs und in der
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3 ist
ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform des Festdrehzahl-Antriebs
nach der Erfindung dargestellt.
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In
der 1 sind mit 2 ein permanenterregter Synchronmotor,
mit 4 ein Spannungszwischenkreis-Umrichter, mit 6 ein
speisendes Netz, insbesondere ein Drehstromnetz, bezeichnet. Der
Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 weist netzseitig einen
Diodengleichrichter 8 und motorseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter 10 auf.
Gleichspannungsseitig sind der Diodengleichrichter 8 und
der selbstgeführte
Pulsstromrichter 10 mittels eines Spannungszwischenkreises,
der einen Zwischenkreis-Kondensator 12 aufweist, elektrisch
parallel geschaltet. Ferner weist der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 eine
Steuerung 14 auf. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse 16, 18 und 20 des Diodengleichrichters 8 sind
jeweils mit einer Phase R, S oder T des speisenden Netzes 6 verknüpft. Die wechselspannungsseitigen
Anschlüsse 22, 24 und 26 des
selbstgeführten
Pulsstromrichters 10 sind mit Phasen U, V oder W des permanenterregten
Synchronmotors 2 elektrisch leitend verbunden. Der selbstgeführte Pulsstromrichter 10 weist
als Stromrichterventile T1 bis T6 jeweils einen abschaltbaren Halbleiterschalter,
insbesondere einen Integrated Gate Bipo lar Transistor (IGBT), auf.
Diese Stromrichterventile T1 bis T6, die in einer B6-Schaltung angeordnet
sind, sind steuerungsseitig jeweils mit der Steuerung 14 verknüpft.
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Ein
derartig beschriebener Spannungszwischenkreis-Umrichter entspricht
einem im Handel erhältlichen
Spannungszwischenkreis-Umrichter 4, auch als Frequenzumrichter
bezeichnet, der zum Antreiben von Asynchronmotoren verwendet wird.
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Erfindungsgemäß ist dieser
Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 mit einer Schaltvorrichtung 28 versehen,
die derart im Umrichter 4 angeordnet ist, dass deren Kontakte
die wechselspannungsseitigen Anschlüsse 16, 18, 20 des
Diodengleichrichters 8 mit den wechselspannungsseitigen
Anschlüssen 22, 24 und 26 des
selbstgeführten
Pulsstromrichters 10 verbinden. Steuerungsseitig sind die
Kontakte der Schaltvorrichtung 28 mit der Steuerung 14 des
Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 verknüpft. Diese Schaltvorrichtung 28 verbindet
den permanenterregten Synchronmotor 2 bei geschlossenen
Kontakten direkt mit dem speisenden Netz 6, wodurch der selbstgeführte Pulsstromrichter 10 überbrückt ist. Deshalb
wird diese Schaltvorrichtung 28 auch als Überbrückungsschaltvorrichtung
bezeichnet. Der selbstgeführte
Pulsstromrichter 10 wird somit nur beim Hochlaufen des
permanenterregten Synchronmotors 2 verwendet.
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Wegen
dieser eingeschränkten
Benutzungshandlung des selbstgeführten
Pulsstromrichters 10 kann dieser sehr kostengünstig ausgeführt werden. Das
heißt,
es wird für
die Kühlung
der Stromrichterventile T1 bis T6 des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 kein
Lüfter
mehr benötigt.
Außerdem
kann weitestgehend auf einen Kühlkörper für diese
Stromrichterventile T1 bis T6 verzichtet werden. Ferner kann auf
Schnittstellen zur Steuerung 14 dieses Umrichters 4 verzichtet
werden, da während
des Betriebs des permanenterregten Synchronmotors 2 mit einer
festen Drehzahl der selbstgeführte
Pulsstromrichter 10 nicht in Betrieb ist. Da, wie bereits
erwähnt, der
selbstgeführte
Pulsstromrichter 10 nur für den Hochlauf des perma nenterregten
Synchronmotors 2 verwendet wird, kann der Zwischkreis-Kondensator 12 gegenüber einem
im Handel erhältlichen
Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 in seiner Speicherkapazität wesentlich
geringer dimensioniert werden. Dadurch wird auch keine Vorladeschaltung
mehr benötigt.
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Die
Kontakte der Schaltvorrichtung 28 werden stromlos eingeschaltet.
Beim Ausschalten kommutiert der Strom auf den Zwischenkreis-Kondensator 12 des
Spannungszwischenkreis-Umrichters 4. Deswegen
können
die Kontakte der Schaltvorrichtung 28 sehr kostengünstig ausgeführt werden.
Anstelle von mechanischen Kontakten kann diese Schaltvorichtung 28 auch
elektronische Kontakte aufweisen. Als elektronische Kontakte werden
bevorzugt abschaltbare Halbleiterschalter verwendet, die einen Wechselstrom
führen
können.
Welcher abschaltbare Halbleiterschalter zur Anwendung kommt, hängt vorrangig
vom Leistungsbedarf des permanenterregten Synchronmotors 2 ab.
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In
dieser ersten Ausführungsform
des Festdrehzahl-Antriebs nach der Erfindung weisen zwei Ausgänge 22 und 24 des
selbstgeführten
Pulsstromrichters 10 jeweils eine Strommessvorrichtung 30 und 32 auf.
Ausgangsseitig sind diese Strommessvorrichtungen 30 und 32 mit
der Steuerung 14 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 verknüpft. Mit
diesen Strommessvorrichtungen 30 und 32 werden
die Umrichter-Ausgangsströme
gemessen.
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Damit
der permanenterregte Synchronmotor 2 bei einer unveränderlichen
konstanten Drehzahl aus dem speisenden Netz 6 betrieben
werden kann, muss die Steuerung 14 eine Synchronisation
und einen Hochlauf des permanenterregten Synchronmotors 2 vornehmen.
Erst wenn der permanenterregte Synchronmotor 2 auf das
speisende Netz 6 synchronisiert ist, wird dieser auf seine
vorbestimmte Festdrehzahl hochgefahren.
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Zur
Synchronisation können
beispielsweise zwei Netzspannungen des speisenden Netzes 6 bzw. deren
Vorzeichen verwendet werden. Alternativ können ebenfalls die Spannungen über zwei Kontakte der
Schaltvorrichtung 8 ermittelt werden. Bei beiden Ausführungsformen
werden weitere Messvorrichtungen benötigt, die Platz beanspruchen
und Kosten verursachen.
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Die
Synchronisation kann aber auch ohne diese zusätzlichen Messvorrichtungen
durchgeführt werden,
wie im Folgenden beschrieben wird:
Nachdem der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 des
Festdrehzahl-Antriebs an ein speisendes Netz 6 angeschlossen
ist, lädt
sich sein Zwischenkreis-Kondensator 12 auf. Sobald dieser
aufgeladen ist, wobei – wie
bereits erläutert – keine
Vorladeschaltung benötigt
wird, ermittelt die Steuerung 14 aus dem Verlauf der Zwischenkreisspannung
UZW Amplitude und Frequenz des speisenden
Netzes 6. Aus der Amplitude dieser Zwischenkreisspannung
UZW wird auf die Amplitude des speisenden
Netzes 6 geschlossen, da die Zwischenkreisspannung UZW die gleichgerichtete Wechselspannung des
speisenden Netzes 6 ist. Da zur Gleichrichtung der Spannung
des speisenden Netzes 6, insbesondere eines Drehstromnetzes 6, ein
Diodengleichrichter 8, insbesondere in einer so genannten
B6-Schaltung, verwendet wird, weist die Zwischenkreisspannung UZW am Zwischenkreis-Kondensator 12 einen
Wechselanteil auf, dessen Frequenz der 6-fachen Netzfrequenz entspricht.
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Um
die Phasenlage der Spannung des speisenden Netzes 6 bezüglich dieser
Zwischenkreis-Schankungen ermitteln zu können, wird ein Kontakt der
Schaltvorrichtung 28 geschlossen. Anschließend wird
für eine
sehr kurze Zeit, beispielsweise 10 μs, ein oberes Stromrichterventil
T1, T3 oder T5 korrespondierend zum geschlossenen Kontakt der Schaltvorrichtung 28 geschlossen.
Bleibt der zugehörige
Umrichterstrom Null, so ist die zugehörige Netzspannung gerade die
größte der
drei Netzspannungen des speisenden Netzes 6. Ist das nicht
so, wird dieser Testpuls zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise
60° el.
später,
wiederholt. Auf diese Weise wird die Phasenlage der Netzspannung
des speisenden Netzes 6 ohne Spannungserfassung ermittelt.
Zur Erkennung der Phasenfolge des speisenden Netzes wird diese Sequenz,
bestehend aus Schließen
eines Kontaktes der Schaltvorrichtung 28, Testsignal auswerten,
in einer zweiten Umrichterphase wiederholt.
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Nach
der Synchronisation sind die Kontakte der Schaltvorrichtung 28 im
geöffneten
Zustand und der an den Ausgängen 22, 24 und 26 des
selbstgeführten
Pulsstromrichters 10 angeschlossene permanenterregte Synchronmotor 2 wird
mittels des selbstgeführten
Pulsstromrichters 10, dessen Stromrichterventile T1 bis
T6 von der Steuerung 14 angesteuert werden, auf eine vorbestimmte
Festdrehzahl hochgefahren. Die Drehrichtung des permanenterregten Synchronmotors 2 wird
aus der zuvor ermittelten Phasenfolge des speisenden Netzes 6 ermittelt.
Der Drehzahl-Sollwert der Festdrehzahl des permanenterregten Synchronmotors 2 wird
aus der Netzfrequenz des speisenden Netzes 6 bestimmt.
Das Hochfahren des permanenterregten Synchronmotors 2 entspricht
einer Drehzahlregelung von Drehzahl Null auf einen vorbestimmten
Drehzahl-Sollwert. Für diese
Drehzahlregelung kommen bekannte geberlose Verfahren zum Einsatz.
In der Endphase des Hochlaufs wird der permanenterregte Synchronmotor 2 auf
eine gemessene oder eine nachgebildete Netzspannung synchronisiert.
Sobald der permanenterregte Synchronmotor 2 synchron zur
Netzspannung des speisenden Netzes 6 umläuft, werden
die Steuersignale für
die Stromrichterventile T1 bis T6 des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 gesperrt und
alle Kontakte der Schaltvorrichtung 28 geschlossen. Dies
kann für
alle Phasen gleichzeitig oder aber nacheinander erfolgen.
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Die
Kontakte der Schaltvorrichtung 28 bleiben so lange im geschlossenen
Zustand, solange der permanenterregte Synchronmotor 2 mit
einer vorbestimmten Festdrehzahl betrieben werden kann. Durch die
ständige
Auswertung der erfassten Zwischenkreisspannung UZW bezüglich Amplitude
und Rippel-Frequenz wird auf den Zustand des speisenden Netzes 6 geschlossen.
Fällt das
speisende Netz 6 einmal aus, so wird dieser Zustand mittels
der erfassten Zwischenkreisspannung UZW erkannt.
In diesem Fall werden die Kontakte der Schaltvorrichtung 28 ge öffnet und
der permanenterregte Synchronmotor 2 mittels des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 auf
dem vorbestimmten Drehzahl-Sollwert gehalten. Kehrt die Netzspannung
des speisenden Netzes 6 wieder zurück, wird der permanenterregte
Synchronmotor 2 auf die wiederkehrende Netzspannung des speisenden
Netzes 6 synchronisiert.
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Wegen
der Schaltvorrichtung 28 wird der selbstgeführte Pulsstromrichter 10 des
Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 nur während des
Hochlaufs des permanenterregten Synchronmotors 2 verwendet.
Deshalb ist die im selbstgeführten
Pulsstromrichter 10 des Umrichters 4 entstehende
Verlustenergie sehr gering. Zur Entwärmung des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 wird
deshalb ein wesentlich kleinerer Kühlkörper benötigt, auf den gegebenenfalls
ganz verzichtet werden kann. Auf eine Zwangsbelüftung kann ganz verzichtet
werden. Das heißt,
es wird kein Lüfter
mehr benötigt.
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In
einer zweiten Ausführungsform
des Festdrehzahl-Antriebs nach der Erfindung wird gemäß der 2 die
Strommessvorrichtung 30 und 32 jeweils in einer
Motor-Zuleitung 34 und 36 angeordnet. Ansonsten
sind die beiden Ausführungsformen
identisch. Durch diese andere Anordnung der beiden Strommessvorrichtungen 30 und 32 wird
anstelle des Umrichter-Ausgangsstroms der Motorstrom ermittelt. Somit
kann die Steuerung 14 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 im
Betrieb des permanenterregten Synchronmotors 2 auch den
Schutz dieses Synchronmotors 2 übernehmen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Festdrehzahl-Antriebs ist der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 gemäß 3 mit
einem Ein-/Ausschalter 38 versehen, der signaltechnisch
mit der Steuerung 14 verknüpft ist. Dadurch wird der Hochlauf
eines angeschlossenen permanenterregten Synchronmotors 2 nicht
automatisch beim Zuschalten eines speisenden Netzes 6 gestartet.
Zum Starten des Hochlaufs eines permanenterregten Synchronmotors 2 muss
dieser Ein-/Ausschalter 38 betätigt wer den. Dadurch kann auf
ein vorgelagertes Netzschütz
verzichtet werden.
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Da
in allen drei Ausführungsformen
des Festdrehzahl-Antriebs nach der Erfindung der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 gegenüber einem handelsüblichen
Umrichter wegen eines kleineren Zwischenkreis-Kondensators 12 und
einer geringeren Verlustleistung räumlich weniger Platz beansprucht,
bilden der permamenterregte Synchronmotor 2 und der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 des
Festdrehzahl-Antriebs eine Baueinheit. Vorzugsweise wird der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 im
Klemmenkasten des permanenterregten Synchronmotors 2 untergebracht,
der gegebenenfalls etwas vergrößert ist.
Somit erhält
man einen permanenterregten Synchronmotor 2 mit integriertem
Anlaufgerät.
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Durch
die erfindungsgemäße Verschaltung einer
Schaltvorrichtung 28 in einem handelsüblichen Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 erhält man einen
Sanftstarter für
einen permanenterregten Synchronmotor 2. Dadurch erhält man einen
Festdrehzahl-Antrieb mit einem hohen Wirkungsgrad, der ebenfalls
robust gegenüber
einem schwachen Netz ist.