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Die Erfindung bezieht sich auf ein modulares Antriebssystem für einen fremderregten Synchronmotor.
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Bei einem im Handel erhältlichen stromrichtergespeisten fremderregten Synchronmotor wird dieser Synchronmotor ständerseitig mittels eines Spannungszwischenkreis-Umrichters aus einem speisenden Netz und erregerseitig mittels eines Gleichstromstellers aus einem Hilfsnetz mit Energie versorgt. Das heißt, dieser fremderregte Synchronmotor ist mit zwei voneinander getrennten Stromrichtergeräten verknüpft.
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Während des Betriebs eines derartigen fremderregten Synchronmotors kann es vorkommen, dass der lastseitige Stromrichter des Spannungszwischenkreis-Umrichters, der vorwiegend als Wechselrichter betrieben wird, infolge eines Fehlers im Wechselrichter diesen fremderregten Synchronmotor nicht mehr mit Energie versorgen kann. Da dieser fremderregte Synchronmotor weiterhin erregt wird und dieser sich dreht, speist dieser Energie auf die Fehlerstelle des Wechselrichters zurück. Je höher die Ausgangsleistung des fremderregten Synchronmotors ist, desto höher ist auch der Energiebetrag der rückgespeisten Energie. Um diesen Energiebetrag im Fehlerfall zu reduzieren, muss der fremderregte Synchronmotor möglichst umgehend entregt werden. Das heißt, der Strom in der Erregerwicklung des fremderregten Synchronmotors muss schnell abgebaut werden.
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Um einen schnellen Stromabbau in der Erregerwicklung des fremderregten Synchronmotors zu erreichen, wird der separate Gleichstromsteller nicht mehr angesteuert. Dadurch ist die Erregerwicklung mittels eines Freilaufpfades kurzgeschlossen. Die Abklingzeit des Erregerstroms beträgt in diesem Fall mehrere 100 ms.
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Um diese Abklingzeit zu verkleinern, wird in diesen Freilaufpfad ein Widerstand geschaltet, der im störungsfreien Betrieb überbrückt wird. Dieser überbrückbare Widerstand kann bei einem Thyristorsteller und auch bei einem pulsweitenmodulierten Wechselrichter, der als Gleichstromsteller betrieben wird, verwendet werden.
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Aus der
DE 10 2008 051 959 A1 ist eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zur Verringerung der Resonanz in einem System mit mehreren Invertern bekannt. Eine Vorrichtung weist dabei einen Inverter auf, der an ein Entkoppelelement angekoppelt ist.
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Aus der
US 5 966 299 A ist ein Hochsetz- und Tiefsetzsteller für einen Synchrongenerator bekannt. Dieser Steller weist eine bessere Charakteristik in Bezug zur Eingangsspannung auf als ein konventionelles Erregungssystem.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein modulares Antriebssystem für einen fremderregten Synchronmotor anzugeben, bei dem im Fehlerfall ein Erregerstrom schnell abgebaut werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Dieses erfindungsgemäße modulare Antriebssystem weist wenigstens drei modulare Stromrichtereinheiten auf, die gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschaltet sind. Eine dieser drei modularen Stromrichtereinheiten ist mit einem speisenden Netz verbunden und bildet eine zentrale Einspeisung. An den gleichspannungsseitigen Anschlüssen dieser zentralen Einspeisung sind die beiden weiteren modularen Stromrichtereinheiten gleichspannungsseitig angeschlossen. Eine dieser beiden modularen Stromrichtereinheiten ist wechselspannungsseitig mit ständerseitigen Anschlüssen des fremderregten Synchronmotors verknüpft, wogegen die andere modulare Stromrichtereinheit wechselspannungsseitig mit der Erregerwicklung des fremder regten Synchronmotors verbunden ist. Das heißt, dass diese modulare Stromrichtereinheit als Gleichstromsteller betrieben wird.
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Derartige modulare Stromrichtereinheiten sind im Handel erhältlich, wobei jeweils eine modulare Stromrichtereinheit einen selbstgeführten Stromrichter, auch als Pulsstromrichter bezeichnet, mit einem gleichspannungsseitigen Kondensator und zwei gleichspannungsseitigen Sicherungen aufweist. Durch diese Sicherungen ist jede Stromrichtereinheit gegenüber dem gemeinsamen Spannungszwischenkreis des modularen Antriebssystems abgesichert.
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Im Fehlerfall der ständerseitigen modularen Stromrichtereinheit sprechen deren Sicherungen an und trennen dadurch diese fehlerhafte modulare Stromrichtereinheit vom gemeinsamen Spannungszwischenkreis. Dadurch werden die Kondensatoren der am gemeinsamen Spannungszwischenkreis angeschlossenen intakten modularen Stromrichtereinheiten nicht vollständig entladen. Das heißt, diese Kondensatoren weisen noch eine Restladung von beispielsweise 50% und weniger der Gesamtladung auf.
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Um die Erregerwicklung zu entladen, wird die erregerseitige Stromrichtereinheit gesperrt, so dass die Erregerwicklung durch die Freilaufdioden des selbstgeführten Stromrichters dieser modularen Stromrichtereinheit kurzgeschlossen ist. Wäre der Kondensator dieser modularen Stromrichtereinheit vollständig entladen, so würde die Abklingzeit des Erregerstroms mehrere 100 ms betragen. Da jedoch der Kondensator dieser modularen Stromrichtereinheit eine Restenergie aufweist, steht am Kondensator eine entsprechende Spannung verschieden von Null an, die als Gegenspannung den Stromabbau in der Erregerwicklung treibt. Abhängig von dem Betrag dieser Gegenspannung reduziert sich die Abklingzeit.
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Um eine möglichst hohe Gegenspannung im Fehlerfall zur Verfügung zu haben, ist der erregerseitigen modularen Stromrichtereinheit gleichspannungsseitig eine Diode derart vorgeschaltet, dass im fehlerfreien Fall ein Strom zur Erregerwicklung fließen kann. Durch diese Diode wird erreicht, dass im Fehlerfall kein Strom vom Kondensator der erregerseitigen Stromrichtereinheit zum Kondensator der ständerseitigen Stromrichtereinheit während der Zeit, bis die Sicherungen angesprochen haben, fließen kann. Dadurch verbleibt der Kondensator der erregerseitigen Stromrichtereinheit annähernd im Zustand, der kurz vor dem Fehlerfall vorherrschte. Das heißt, am Kondensator der erregerseitigen Stromrichtereinheit steht die maximal mögliche Spannung an, die im Fehlerfall als Gegenspannung den Stromabbau in der Erregerwicklung des fremderregten Synchronmotors wesentlich beschleunigt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems für einen fremderregten Synchronmotor ist elektrisch parallel zum Kondensator der erregerseitigen Stromrichtereinheit ein zuschaltbarer Widerstand geschaltet. Dieser sorgt dafür, dass dieser Kondensator bei der Entregung der Erregerwicklung des fremderregten Synchronmotors nicht überladen wird. Bei der Entregung der Erregerwicklung wird deren gespeicherte Ladung in den Kondensator der erregerseitigen Stromrichtereinheit transferiert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des modularen Antriebssystems für einen fremderregten Synchronmotor ist in einer Zuleitung von der erregerseitigen modularen Stromrichtereinheit zur Erregerwicklung des fremderregten Synchronmotors ein überbrückbarer Widerstand angeordnet. Mit diesem überbrückbaren Widerstand kann der Erregerstrom in der Erregerwicklung des fremderregten Synchronmotors noch schneller abgebaut werden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der drei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems für einen fremderregten Synchronmotor schematisch dargestellt sind.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines modularen Antriebssystems nach der Erfindung, die
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines modularen Antriebssystems nach der Erfindung, wobei in der
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3 eine vorteilhafte Ausführungsform des modularen Antriebssystems nach 1 dargestellt ist.
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Das erfindungsgemäße modulare Antriebssystem für einen fremderregten Synchronmotor 2 weist gemäß 1 drei modulare Stromrichtereinheiten 4, 6 und 8 auf. Diese modularen Stromrichtereinheiten 4, 6, 8 sind derartig miteinander elektrisch leitend verbunden, dass eine Stromschiene 10 jeweils einen positiven gleichspannungsseitigen Anschluss 12, 14, 16 und eine weitere Stromschiene 18 jeweils einen negativen gleichspannungsseitigen Anschluss 20, 22, 24 der modularen Stromrichtereinheit 4, 6 und 8 elektrisch leitend verbindet. Diese beiden positiven und negativen Stromschienen 10 und 18, die niederinduktiv zueinander angeordnet sind, bilden einen gemeinsamen Spannungszwischenkreis des modularen Antriebssystems.
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Die modulare Stromrichtereinheit 4 ist wechselspannungsseitig mit einem speisenden Netz 26 verknüpft. Dagegen sind die beiden modularen Stromrichtereinheiten 6 und 8 wechselspannungsseitig mit Anschlüssen des fremderregten Synchronmotors 2 elektrisch leitend verbunden. Dabei ist die modulare Stromrichtereinheit 6 mit ständerseitigen Anschlüssen, die modulare Stromrichtereinheit 8 hingegen mit erregerseitigen Anschlüssen dieses fremderregten Synchronmotors 2 verknüpft. Das heißt, die modulare Stromrichtereinheit 8 wird als Gleichstromsteller für eine Erregerwicklung 36 des fremderregten Synchronmotors 2 verwendet. Die modulare Stromrichtereinheit 6 versorgt den Ständer des fremderregten Synchronmotors 2 mit Energie, wobei dieser als Wechselrichter betrieben wird. Die modulare Stromrichtereinheit 4 generiert aus einer Netzspannung des speisenden Netzes 26 eine Gleichspannung für den gemeinsamen Spannungszwischenkreis dieses modularen Antriebssystems. Das heißt, die Stromrichtereinheit 4 wird als Gleichrichter betrieben. Mit dieser Stromrichtereinheit 4 wird außerdem der Betrag der Zwischenkreisspannung des gemeinsamen Zwischenkreises auf einen vorbestimmten Wert geregelt. Bei der Steuerung dieser Stromrichtereinheit 4 wird darauf geachtet, dass der Leistungsfaktor gleich Eins ist. Somit bildet diese modulare Stromrichtereinheit 4 eine rückspeisefähige Einspeiseeinheit, wobei benötigte Netzdrosseln in dieser Darstellung nicht explizit dargestellt sind.
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Jede dieser drei modularen Stromrichtereinheiten 4, 6 und 8, die im Handel (Siemens-Katalog DA 65.10 2003/2004 mit der Bezeichnung ”SIMOVERT MASTERDRIVES VC – Einzel- und Mehrmotorenantriebe 0,55 kW bis 2300 kW”) erhältlich sind, weist einen selbstgeführten Stromrichter 28, einen Kondensator 30 und zwei Sicherungen 32 und 34 auf. Der Kondensator 30 ist elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen des selbstgeführten Stromrichters 28, der auch als Pulsstromrichter bezeichnet wird, geschaltet. Jeweils ein wechselspannungsseitiger Ausgang des selbstgeführten Stromrichters 28 bildet einen wechselspannungsseitigen Anschluss der modularen Stromrichtereinheit 4 bzw. 6 bzw. 8. Jeweils in einer elektrischen Verbindung zwischen einem gleichspannungsseitigen Anschluss 12, 14, 16 bzw. 20, 22, 24 der Stromrichtereinheit 4 bzw. 6 bzw. 8 und einem gleichspannungsseitigen Anschluss des selbstgeführten Stromrichters 28 ist eine Sicherung 32 bzw. 34 angeordnet. Mit diesen internen Zwischenkreissicherungen 32 und 34 kann jede modulare Stromrichtereinheit 4, 6 bzw. 8 im Fehlerfall vom gemeinsamen Zwischenkreis getrennt werden.
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Außerdem ist die modulare Stromrichtereinheit 8, die die Erregerwicklung 36 des fremderregten Synchronmotors 2 speist, mit eine Diode 38 versehen, die einem der beiden gleichspannungsseitigen Anschlüsse 16 und 24 derart vorgeschaltet sind, dass im fehlerfreien Fall ein Strom aus dem gemeinsamen Spannungszwischenkreis des modularen Antriebssystems zur Erregerwicklung 36 des fremderregten Synchronmotors 2 fließen kann. In der dargestellten Ausführungsform gemäß 1 ist diese Diode 38 dem gleichspannungsseitigen Anschluss 24 der Stromrichtereinheit 8 vorgeschaltet. Dabei ist die Diode 38 mit ihrer Anode elektrisch leitend mit dem Anschluss 24 verbunden. Wird diese Diode 38 dem gleichspannungsseitigen Anschluss 16 der Stromrichtereinheit 8 vorgeschaltet, so ist diese Diode 38 mit ihrer Kathode mit dem Anschluss 16 elektrisch leitend verbunden. Entgegen dieser Darstellung kann die Diode 38 in der modulare Stromrichtereinheit 8 integriert sein. In dieser Darstellung ist diese Diode 38 in der negativen Stromschiene 18 eingebunden.
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Mit dieser Diode 38 wird im Fehlerfall der modularen Stromrichtereinheit 6 die Stromrichtereinheit 8 der Erregerwicklung des fremderregten Synchronmotors 2 von der fehlerhaften Stromrichtereinheit 6 entkoppelt. Dadurch wird der Kondensator 30 der Stromrichtereinheit 8 nicht mehr entladen. Das heißt, dieser Kondensator 30 bleibt voll aufgeladen. Dadurch steht eine maximale Spannung am Kondensator 30 als Gegenspannung für die Erregerwicklung 36 zur Verfügung. In Abhängigkeit von der Streuinduktivität der Erregerwicklung 36 wird diese linear entregt, wobei der Erregerstrom mit einer minimalsten Abklingzeit abgebaut wird.
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Wäre diese Diode 38 nicht vorhanden, würde sich der Kondensator 30 der Stromrichtereinheit 8 während der Zeit vom Auftritt eines Fehlers bis zum Ansprechen der Zwischenkreissicherungen 32 und 34 der fehlerbehafteten Stromrichtereinheit 6 entladen. In dieser Zeit könnte sich der Kondensator 30 der Stromrichtereinheit 8 der Erregerwicklung 36 derart entladen, dass maximal 50% bis minimal 20% der Ladung des Kondensators 30 im fehlerfreien Fall zur Verfügung stünden. Dementsprechend würde eine am teilentladenen Kondensator 30 der Stromrichtereinheit 8 anstehende Spannung nur noch 50% bis 20% der Spannung im fehlerfreien Fall betragen. Mit einer derartig erniedrigten Spannung würde für die Entregung der Erregerwicklung 36 des fremderregten Synchronmotors 2 zu viel Zeit beansprucht.
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In der 2 ist eine zweite Ausführungsform des modularen Antriebssystems für einen fremderregten Synchronmotor 2 schematisch dargestellt, die sich von der ersten Ausführungsform gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass elektrisch parallel zum Kondensator 30 der erregerseitigen Stromrichtereinheit 8 ein zuschaltbarer Widerstand 40 geschaltet ist. Dieser zuschaltbare Widerstand 40 weist einen Widerstand 42 und einen Schalter 44, insbesondere einen abschaltbaren Halbleiterschalter, auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dieser Schalter 44 des zuschaltbaren Widerstandes 40 wird in Abhängigkeit des Ladungszustandes des Kondensators 30 betätigt.
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Im fehlerfreien Betrieb ist dieser Schalter 44 geöffnet. Im Fehlerfall, wenn der Synchronmotor 2 entregt werden muss, wird dieser Schalter 44 geschlossen, wenn der Kondensator 30 der erregerseitigen Stromrichtereinheit 8 einen Grenzwert für einen maximal zulässigen Ladungszustand erreicht hat. Durch die Zuschaltung des Widerstandes 42 elektrisch parallel zum Kondensator 30 wird dieser vom Entregungsstrom nicht mehr weiter aufgeladen. Dadurch wird verhindert, dass die abschaltbaren Halbleiterschalter des selbstgeführten Stromrichters 28 der erregerseitigen Stromrichtereinheit 8 wegen zu hoher Spannung beschädigt bzw. zerstört werden können. Bei der Entregung der Erregerwicklung 36 des fremderregten Synchronmotors 2 wird die in dieser Erregerwicklung 36 gespeicherte Energie in den Kondensator 30 der erregerseitigen Stromrichtereinheit 8 transferiert. Da die erregerseitige Stromrichtereinheit 8 im Fehlerfall durch die Diode 38 von der fehlerhaften Stromrichtereinheit 6 entkoppelt wird, weist der Kondensator 30 der erregerseitigen Stromrichtereinheit 8 annähernd den Ladungszustand auf, der vor der Abkopplung dieser Stromrichtereinheit 8 vom Spannungszwischenkreis des modularen Antriebssystems vorherrschte. Aus diesem Grund kann durch die Entregung der Erregerwicklung 36 des fremderregten Synchronmotors 2 dieser Kondensator 30 der erregerseitigen Stromrichtereinheit 8 den maximal zulässigen Ladungszustand mehr oder weniger schnell erreichen.
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In der 3 ist eine dritte Ausführungsform des modularen Antriebssystems für einen fremderregten Synchronmotor 2 schematisch dargestellt, die sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch unterscheidet, dass in einer Zuleitung 46 zur Erregerwicklung 36 des fremderregten Synchronmotors 2 ein überbrückbarer Widerstand 48 angeordnet ist. Dieser überbrückbare Widerstand 48 weist einen Widerstand 50 und einen Schalter 52, insbesondere einen abschaltbaren Halbleiterschalter, auf. Damit dieser Widerstand 50 überbrückt werden kann, ist der Schalter 52 elektrisch parallel zum Widerstand 50 geschaltet. Im fehlerfreien Fall ist dieser Schalter 52 geschlossen. Mit diesem Widerstand 50 wird die Abklingzeit des Erregerstroms noch weiter verkleinert.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems für einen fremderregten Synchronmotor 2 besteht darin, dass keine aktive Erkennung eines Fehlers und keine aktiven Elemente für einen schnellen Stromabbau in der Erregerwicklung 36 des fremderregten Synchronmotors 2 benötigt werden. Nach einem Fehlerfall müssen nur angesprochene Zwischenkreissicherungen 32 und 34 ersetzt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass dieses modulare Antriebssystem für einen fremderregten Synchronmotor 2 mit im Handel erhältlichen Stromrichtereinheiten 4, 6 und 8 aufgebaut werden kann.
