DE102012010899A1

DE102012010899A1 - Versorgungsmodul für elektrische Antriebe

Info

Publication number: DE102012010899A1
Application number: DE201210010899
Authority: DE
Inventors: Eberhard Schemm; Thomas Schmid; Volker Schueren
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2013-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Versorgungsmodul (100), welches dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung (U1) für wenigstens einen elektrischen Antrieb (200, M) bereitzustellen, wobei das Versorgungsmodul (100) aufweist: Eingangsanschlüsse (101), um das Versorgungsmodul (100) an ein Stromversorgungsnetz (L1, L2, L3) anzuschließen, eine erste Stromrichterschaltung (102), die mit den Eingangsanschlüssen (101) verbunden und dazu eingerichtet ist, als Gleichrichter betrieben werden zu können, um eine an den Eingangsanschlüssen (101) anliegende Netzwechselspannung (U0) in eine Gleichspannung (U1) zu wandeln und diese an Ausgangsanschlüssen (104) auszugeben, eine Erfassungseinrichtung (106), welche mit den Eingangsanschlüssen (101) verbunden und dazu ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf einer an den Eingangsanschlüssen (101) anliegenden Spannung (U0) zu erfassen, eine Recheneinheit (103), die dazu eingerichtet ist, anhand des erfassten Verlaufs eine Spannungsanalyse durchzuführen, die zumindest eine Oberwellenanalyse, um Oberwellen zu ermitteln, umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Versorgungsmodul für elektrische Antriebe.
Stand der Technik
Im industriellen Umfeld werden häufig Servoantriebe eingesetzt, um Maschinen unterschiedlichster Art zu betreiben. Ein Antriebssystem umfasst dabei üblicherweise eine Reihe von sog. ”Antrieben” (Elektromotor zusammen mit Wechselrichter und Antriebsregler), die von einem Versorgungsmodul mit Spannung, meist Gleichspannung, versorgt werden. Das Versorgungsmodul enthält dafür einen Leistungsgleichrichter, der die üblicherweise dreiphasige Netzwechselspannung gleichrichtet und eine geregelte Zwischenkreisgleichspannung für die Leistungsversorgung der Antriebe bereitstellt. Versorgungsmodule können auch bei generatorischem Betrieb der Antriebe auch als Wechselrichter arbeiten und Energie zurück in das Stromversorgungsnetz speisen. Versorgungsmodul und Wechselrichter können auch zu einem Umrichtermodul zusammengefasst sein.
Die Antriebe stellen insbesondere aufgrund der Stromumrichtung nichtlineare Lasten für das Stromversorgungsnetz dar, was zu einer Netzbelastung mit oberwellenreichen Strömen führen kann. Diese Ströme können die Netzbalance stören und Ströme im Mittelleiter verursachen, wodurch an das Stromversorgungsnetz angeschlossene Geräte in ihrer Wirkungsweise beeinträchtigt werden können. Die Stärke der Beeinträchtigung hängt von der Anzahl und Leistung der angeschlossenen Lasten sowie von der Qualität des Stromversorgungsnetzes ab. Es ist wünschenswert, eine Möglichkeit zur Verfügung zu haben, die Netzqualität für einen Antrieb während des Betriebs möglichst einfach und dennoch zuverlässig überwachen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Versorgungsmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, die Qualität der für die Antriebe zur Verfügung stehenden Netzspannung besonders einfach und zuverlässig direkt im Versorgungsmodul zu bestimmen. Insbesondere kann die Netzanalyse während des Betriebs (”online”) stattfinden und benötigt keine externen Geräte. Das Versorgungsmodul weist dafür eine Erfassungseinrichtung, um den zeitlichen Verlauf der Netzspannung zu messen, sowie eine Recheneinheit für die Oberwellenanalyse auf. Bei der Oberwellenanalyse wird insbesondere ein Frequenzspektrum der Netzspannung bestimmt, bspw. mittels Fourier-Analyse, z. B. FFT. Es sei lediglich der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die Netzspannung möglichst direkt am Eingang und insbesondere unbeeinflusst von Induktivitäten im Versorgungsmodul bzw. im Stromrichter gemessen wird.
Die Erfindung entfaltet insbesondere bei Versorgungsmodulen mit Rückspeisung besondere Vorteile, da hier bereits eine Erfassungseinrichtung vorhanden ist, um den zeitlichen Verlauf der Netzspannung zu messen. Die Erfassungseinrichtung wird dort verwendet, um die Rückspeisespannung an die Netzspannung anzupassen. Hier ist besonders vorteilhaft keine zusätzliche Hardware nötig. Die ohnehin vorhandene Recheneinheit (meist ein Mikrocontroller) im Versorgungsmodul wird, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, die Oberwellenanalyse zusätzlich zu den üblichen Stromversorgungsfunktionen (z. B. Spannungsregelung, Stromregelung) durchzuführen. Die Ergebnisse können dann vorteilhaft an Antriebsregler und/oder eine übergeordnete Steuerung (d. h. Steuergerät, SPS, PC o. ä.) des Antriebssystems bzw. der Maschine weitergegeben und dort weiterverarbeitet werden. Es können insbesondere Warnungen und Fehlermeldungen für eine Maschinenaufsicht erzeugt werden. Üblicherweise besteht in Antriebssystemen bereits eine Datenverbindung, meist eine Feldbusverbindung, zwischen den einzelnen Geräten und Modulen, die vorteilhaft verwendet werden kann.
Es kann insbesondere überprüft werden, ob im Rahmen der Oberwellenanalyse ermittelte Oberwellenströme und -spannungen in einem zulässigen Bereich, bspw. gemäß einer anzuwenden Norm, bspw. eine Norm zu Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), liegen.
Vorzugsweise wird die Netzspannung auch auf Spannungsschwankungen (”Flicker”) hin analysiert. Ebenso vorzugsweise wird auch eine Symmetrie der einzelnen Phasenspannungen analysiert.
Eine bevorzugte Messmethode besteht darin, der Netzspannung einen Blindstrom mit Grundfrequenz in Höhe des Nenn- oder Spitzenstromes einzuprägen. Da keine Wirkleistung fließt, kann der Elektromotor unbewegt bleiben. Es wird somit keine Störung des Normalbetriebs hervorgerufen. Ein Vergleich der Netzspannung ohne und mit eingeprägtem Blindstrom erlaubt die Bestimmung der Netzimpedanz bzw. der Kurzschlussleistung, die das wichtigste Kriterium für die Eignung des Netzanschlusses ist: Die Phasenverschiebung der Netzspannung kann ermittelt werden, indem Netzspannungsverläufe ohne und mit Blindstrom aufgezeichnet und anschließend insbesondere frequenzanalysiert und verglichen werden. Da Oberschwingungsströme grundsätzlich keine Wirkleistung transportieren, ist die Phasenlage unbeachtlich. Eine Messung eines Netzspannungsverlaufs ohne und mit eingeprägtem Strom ermöglicht, nach einer Frequenzanalyse (z. B. FFT) die Oberwellenspannungen ohne und mit eingeprägtem Blindstrom ins Verhältnis zu setzen. Nach dem gleichen Prinzip kann die Netzimpedanz für alle Oberschwingungen ermittelt werden. Resonanzen können nämlich z. B. dafür sorgen, dass die Netzimpedanz sich nicht linear verhält. Eine solche Messprozedur wird zweckmäßigerweise bei einer Erstinbetriebnahme an einem Netz durchgeführt werden. Sie kann regelmäßig und/oder bei Störungen wiederholt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann auch die Abhängigkeit der Amplitude und/oder des Effektivwerts der Netzspannung von der Momentanleistung des Versorgungsmoduls und somit die Impedanz des Stromversorgungsnetzes im normalen Betrieb bestimmt werden. Problematische Netzverhältnisse können rechtzeitig erkannt und gemeldet werden. Entscheidend bei der Messung im Betrieb ist wieder die Aufzeichnung von Spannungsverläufen für unterschiedliche Blindströme.
Die Erfindung bietet insbesondere die Möglichkeit, diagnostizierte Oberwellen in der Netzspannung durch Einprägen passender Ströme durch entsprechende Ansteuerung des Stromrichters zu reduzieren oder zu kompensieren. Zur Verbesserung der Netzspannung werden dem Laststrom bewusst Oberschwingungen aufaddiert, die den Laststrom zwar verzerren, die Netzspannung aber gezielt verbessern. Besonders vorteilhaft ist, dass für eine solche Kompensation von Oberwellen keine zusätzliche Strommessung erforderlich ist und dass die Verlustleistung dadurch nicht wesentlich ansteigt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt in einem Blockdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Versorgungsmoduls.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Versorgungsmoduls in einem Blockdiagramm dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Das Versorgungsmodul 100 ist über Eingangsanschlüsse 101 mit einem Stromversorgungsnetz verbunden, welches als Drehstromnetz ausgebildet und durch die Leitungen L1, L2, L3 symbolisiert wird. Die Eingangsanschlüsse 101 sind elektrisch mit einer ersten Stromrichterschaltung 102 verbunden, die eine Anzahl von schaltbaren Elementen, wie vorzugsweise MOS-FET oder IGBT, aufweist, welche hier als Transistor symbolisiert sind. Es kann sich beispielsweise um eine B6-Brücke mit sechs schaltbaren Elementen handeln. Durch entsprechende Ansteuerung der Schaltelemente kann die Stromrichterschaltung 102 als Gleichrichter oder als Wechselrichter betrieben werden. Für die Ansteuerung ist eine Recheneinheit 103, beispielsweise ein Mikrocontroller mit einem Computerprogramm, vorgesehen. Wird die Stromrichterschaltung 102 als Gleichrichter betrieben, wird die an den Eingangsanschlüssen 101 anliegende Netzwechselspannung U₀ gleichgerichtet und an Ausgangsanschlüssen 104 als Gleichspannung U₁ ausgegeben.
Das Versorgungsmodul 100 weist eine Datenschnittstelle 105 auf, die mit einem Steuerungsnetzwerk 300, beispielsweise einem Feldbus, verbunden ist, mit dem ebenfalls eine übergeordnete Steuerung 301, beispielsweise eine SPS, verbunden sein kann. Über die Datenschnittstelle 105 kann die Recheneinheit 103 Daten mit anderen mit dem Steuerungsnetzwerk verbundenen Einheiten austauschen.
In Antriebssystemen besteht die Aufgabe eines Versorgungsmoduls mit den bisher erläuterten Komponenten darin, eine möglichst konstante Gleichspannung U₁ an den Ausgangsanschlüssen 104 bereitzustellen, welche zur Versorgung eines oder mehrerer Wechselrichter 200 und Elektromotoren M dient, welche zusammen oftmals als ”Antrieb” oder ”Antriebsmodul” bezeichnet werden.
Der Wechselrichter 200 weist eine zweite Stromrichterschaltung 202 auf, die ebenfalls eine Anzahl von ansteuerbaren Schaltelementen, wie z. B. MOSFET oder IGBT, aufweist. Die Stromrichterschaltung 202 kann als Wechselrichter betrieben werden, indem die Schaltelemente von einem Antriebsregler 203 entsprechend angesteuert werden. Der Antriebsregler 203 ist mit einer Datenschnittstelle 205 verbunden, über die ihm insbesondere ein Sollwert, beispielsweise ein Geschwindigkeitssollwert, zugeführt wird, dem entsprechend die elektrische Maschine M betrieben werden soll. Die Schnittstelle 205 ist mit dem Steuerungsnetzwerk 300 verbunden. Im Wechselrichterbetrieb erzeugt die Stromrichterschaltung 202 aus der zugeführten Gleichspannung U₁ entsprechend dem Sollwert eine Wechselspannung U₂ für den Elektromotor M.
Das Versorgungsmodul 100 weist eine Erfassungseinrichtung 106 auf, die einen zeitlichen Verlauf der an den Eingangsanschlüssen 101 anliegenden Netzwechselspannung aufnimmt und an die Recheneinheit 103 übermittelt. Die Recheneinheit 103 ist dazu eingerichtet, eine Spannungsanalyse durchzuführen, welche eine Oberwellenanalyse einschließt. Bei der Oberwellenanalyse werden insbesondere Oberwellenspannungen und/oder Oberwellenströme in der Netzwechselspannung durch Fourier-Analyse, insbesondere FFT, bestimmt. Die ermittelten Oberwellenanteile können dann über die Datenschnittstelle 105 beispielsweise dem Antriebsregler 203 und/oder der übergeordneten Steuerung 301 übermittelt werden.
In der Folge kann bestimmt werden, ob die Netzspannungsqualität ausreichend für den Betrieb der Antriebe ist.
Vorzugsweise ist die Recheneinheit 103 auch dazu eingerichtet, vorhandene Oberwellenanteile in der Netzwechselspannung durch entsprechende Ansteuerung der ersten Stromrichterschaltung 102 zu reduzieren. Hierbei werden Ströme mit bestimmten Amplituden und Frequenzen rückgespeist, um unerwünschte Oberwellenströme zu kompensieren.
Das dargestellte Versorgungsmodul 100 ist vorteilhafterweise auch für eine Rückspeisung ausgebildet, um überschüssige Energie aus einem Zwischenkreis (d. h. elektrischer Kreis zwischen den Stromrichterschaltungen 102 und 202) wieder in das Stromversorgungsnetz L1, L2, L3 rückzuspeisen. In diesem Fall wird die Stromrichterschaltung 102 von der Recheneinheit 103 als Wechselrichter betrieben, wodurch eine Rückspeisewechselspannung an den Eingangsanschlüssen 101 ausgegeben werden kann. Um die Rückspeisespannung an die Netzspannung (insbesondere frequenzmäßig) anzupassen, wird ebenfalls die Erfassungseinrichtung 106 verwendet.
In 1 ist ein Antriebssystem dargestellt, bei dem von dem Versorgungsmodul 100 ein oder mehrere Antriebsmodule versorgt werden, welche jeweils aus einem Wechselrichter 200 und einem Elektromotor M bestehen. Es ist jedoch ebenso möglich, dass ein Versorgungsmodul 100 und einen Wechselrichter 200 zu einem Umrichter baulich zusammengefasst sind, welcher zusammen mit dem Elektromotor M den Antrieb bildet.

Claims

Versorgungsmodul (100), welches dazu ausgebildet ist, eine Versorgungsspannung (U₁) für wenigstens einen elektrischen Antrieb (200, M) bereitzustellen, wobei das Versorgungsmodul (100) aufweist: Eingangsanschlüsse (101), um das Versorgungsmodul (100) an ein Stromversorgungsnetz (L1, L2, L3) anzuschließen, eine erste Stromrichterschaltung (102), die mit den Eingangsanschlüssen (101) verbunden und dazu eingerichtet ist, als Gleichrichter betrieben werden zu können, um eine an den Eingangsanschlüssen (101) anliegende Netzwechselspannung (U₀) in eine Gleichspannung (U₁) zu wandeln und diese an Ausgangsanschlüssen (104) auszugeben, eine Erfassungseinrichtung (106), welche mit den Eingangsanschlüssen (101) verbunden und dazu ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf einer an den Eingangsanschlüssen (101) anliegenden Spannung (U₀) zu erfassen, eine Recheneinheit (103), die dazu eingerichtet ist, anhand des erfassten Verlaufs eine Spannungsanalyse durchzuführen, die zumindest eine Oberwellenanalyse, um Oberwellen zu ermitteln, umfasst.
Versorgungsmodul (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Stromrichterschaltung (102) zusätzlich dazu eingerichtet ist, als Wechselrichter betrieben werden zu können, um eine an den Ausgangsanschlüssen (104) anliegende Gleichspannung in eine Rückspeisungswechselspannung zu wandeln und diese an den Eingangsanschlüssen (101) auszugeben.
Versorgungsmodul (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Stromrichterschaltung (102) ansteuerbare Schaltelemente aufweist und die Recheneinheit (103) zusätzlich dazu eingerichtet ist, die Schaltelemente der Stromrichterschaltung anzusteuern, um die Stromrichterschaltung (102) als Gleich- bzw. Wechselrichter zu betreiben.
Versorgungsmodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (103) dazu eingerichtet ist, im Rahmen der Spannungsanalyse Oberwellenströme und/oder Oberwellenspannungen zu ermitteln.
Versorgungsmodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannungsanalyse auch eine Amplitudenanalyse umfasst, um Spannungsschwankungen zu ermitteln.
Versorgungsmodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spannungsanalyse auch eine Symmetrieanalyse umfasst, um eine Symmetrie der Netzwechselspannung zu ermitteln.
Versorgungsmodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Datenausgang (105), der mit der Recheneinheit (103) verbunden ist, wobei die Recheneinheit dazu eingerichtet ist, an dem Datenausgang (105) Ergebnisse der Spannungsanalyse auszugeben.
Versorgungsmodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer zweiten Stromrichterschaltung (202), die mit der ersten Stromrichterschaltung (102) elektrisch verbunden und dazu eingerichtet ist, als Wechselrichter betrieben werden zu können und eine von der ersten Stromrichterschaltung (102) erzeugte Gleichspannung (U₁) in eine Wechselspannung (U₂) zu wandeln.
Versorgungsmodul (100) nach Anspruch 7, mit einem Antriebsregler (203), wobei die zweite Stromrichterschaltung (202) ansteuerbare Schaltelemente aufweist und der Antriebsregler (203) dazu eingerichtet ist, die Schaltelemente der Stromrichterschaltung auf Grundlage eines dem Antriebsregler zugeführten Sollwerts anzusteuern.
Versorgungsmodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (103) zusätzlich dazu eingerichtet ist, eine Impedanz des Stromversorgungsnetzes (L1, L2, L3) zu bestimmen.
Versorgungsmodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (103) zusätzlich dazu eingerichtet ist, ermittelte Oberwellen zu reduzieren.
Umrichteranordnung aufweisend ein Versorgungsmodul (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche sowie einen Wechselrichter (200), der dafür ausgebildet ist, aus der eine Gleichspannung (U₁) eine Wechselspannung (U2) für einen Elektromotor (M) zu erzeugen.
Umrichteranordnung nach Anspruch 12, bei der das Versorgungsmodul (100) und der Wechselrichter (200) als ein Gerät in einem gemeinsamen Gerätegehäuse angeordnet sind.
Antriebssystem aufweisend eine Umrichteranordnung nach Anspruch 12 oder 13 und einen Elektromotor (M).