DE102012022139A1

DE102012022139A1 - Vereinfachte elektrische Bremseinrichtung

Info

Publication number: DE102012022139A1
Application number: DE201210022139
Authority: DE
Inventors: Kubilay Koral; Michael Krüger
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-06-06
Also published as: US8907599B2; JP3181636U; CN103151977B; US20130141022A1; CN103151977A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Bremseinrichtung für elektronisch angesteuerte Synchronmotoren (M), welche über einen Umrichter (U) mit Spannung versorgt werden. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Synchronmotor (M) einen Wicklungsmittelpunkt (S) aufweist und dass der Wicklungsmittelpunkt (S) über einen elektrischen Widerstand (R) und einen Schalter (S7) mit dem Massepunkt des Umrichters (U) verbunden ist und dass die mit dem Massepunkt verbundenen Phasen des Umrichters (U) jeweils eine Freilaufdiode (D4, D5, D6) aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Bremseinrichtung für elektronisch angesteuerte Synchronmotoren, welche über einen Umrichter mit Spannung versorgt werden.
Derartig angesteuerte Synchronmotoren werden vor allem als Traktionsantriebe in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wie z. B. Straßenbahnen, aber auch als Antriebe in großen Maschinen, wie z. B. Druckmaschinen, verwendet. Dabei werden die elektronisch angesteuerten Synchronmotoren meist über einen bidirektionalen Umrichter mit Spannung versorgt, so dass der Synchronmotor nicht nur elektrische Energie aufnimmt, sondern z. B. beim Bremsen auch abgeben kann. Auf diese Art und Weise kann der Synchronmotor im generatorischen Betrieb als Bremse eingesetzt werden und speist zudem elektrische Energie in das Stromnetz zurück, was energiesparend und kostensenkend ist. Der Einsatz eines permanent erregten Synchronmotors ist z. B. aus der deutschen Offenlegung DE 101 60 612 A1 bekannt, wo dieser Motor als Traktionsantrieb in einem Schienenfahrzeug verwendet wird. Auch hier wird der Synchronmotor über einen Stromrichter im Traktionsbetrieb mit Spannung versorgt. Es ist eine elektrische Bremseinrichtung vorhanden, welche aus für jede Phase separaten und sternförmig verbundenen Bremswiderständen besteht, wobei die Bremswiderstände für jede der drei Phasen über je einen Schalter an den Synchronmotor angeschaltet werden können. Auf diese Art und Weise wird eine elektrische Bremse für ein Schienenfahrzeug zu realisiert.
Bei Druckmaschinen ist aus Sicherheitsgründen eine zweite Bremseinrichtung notwendig, welche unabhängig von einer ersten Bremse den elektrischen Antriebsmotor abbremsen kann. Eine derartige redundante elektrische Bremseinrichtung für Druckmaschinen ist aus dem Patent US 8,026,681 B2 bekannt. Bei dieser redundanten elektrischen Bremseinrichtung wird zwischen dem Antriebsmotor der Druckmaschine und dem Wechselrichter zur Ansteuerung des Motors eine schaltbare elektrische Bremseinrichtung angeordnet, welche auch bei Ausfall des Stromnetzes über einen Rechner gesteuert ein sicheres generatorisches Bremsen erlaubt. Diese elektrische Bremseinrichtung verfügt über einen elektrischen Bremswiderstand und einen Gleichrichter, welcher die Motorspannung für den Bremswiderstand gleichrichtet. Über den Gleichrichter der zusätzlichen elektrischen Bremse kann der Bremsvorgang gesteuert werden. Zusätzlich kann nach dem Abbremsen des elektrischen Antriebs der Motor mittels einer mechanischen Bremse arretiert werden.
Die Lösungen aus dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass ein zusätzlicher Gleichrichter oder mehrere Schalter sowie entsprechende Kühlkörper, Gehäuse etc. für die Bremsschaltung notwendig sind, um die geforderte Redundanz beim Ausfall der primären Bremseinrichtung sicherzustellen. Zudem ist meist eine zusätzliche Überwachungsschaltung erforderlich, die z. B. aus einer Stromüberwachungsschaltung des zusätzlichen Brückenzweiges bestehen kann. Diese zusätzlichen Bauteile erfordern Bauraum und führen zu höheren Kosten des Antriebs.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Bremseinrichtung für einen elektronisch angesteuerten Synchronmotor zu schaffen, welche zum Einen die geforderte Redundanz sicherstellt und zum Anderen mit möglichst wenigen zusätzlichen elektrischen Bauteilen auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den Zeichnungen zu entnehmen. Die erfindungsgemäße elektrische Bremseinrichtung eignet sich zum redundanten elektrischen Bremsen bei Ausfall des Umrichters in durch Synchronmotoren angetriebenen Maschinen und Fahrzeugen. Dabei wird der Synchronmotor über einen Umrichter versorgt, welcher die Gleichspannung eines Gleichspannungszwischenkreises in die Motorspannung umrichtet. Die Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises kommt von einem netzseitig angeschlossenen Gleichrichter. Im Normalbetrieb wird dabei der Synchronmotor über den Umrichter abgebremst, indem der Umrichter so angesteuert wird, dass der Synchronmotor im generatorischen Betrieb läuft und beim Bremsen Strom erzeugt und entweder in das Netz zurückspeist oder in einem Bremswiderstand vernichtet. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun vorgesehen, dass die sternförmig verschalteten Wicklungen des Synchronmotors in einem Wicklungsmittelpunkt zusammengeführt sind und dass der Wicklungsmittelpunkt über einen elektrischen Widerstand und einen Schalter mit dem Massepunkt des Umrichters verbunden ist. Außerdem weisen die mit dem Massepunkt verbundenen Phasen des Umrichters jeweils eine Freilaufdiode auf, welche den Strom beim Bremsen führen. Auf diese Art und Weise kann auch bei Ausfall des Umrichters der Stromkreis über die Freilaufdioden, den Synchronmotor, den elektrischen Widerstand und den dann geschlossenen Schalter geschlossen werden. Im Normalbetrieb bleibt der Schalter offen, so dass über den elektrischen Widerstand kein Strom fließen kann. Der Schalter kann ein Relais sein, wird aber bevorzugt als Halbleiterbauelement, wie z. B. ein IGBT oder Thyristor ausgeführt, welcher auch in der Lage ist, große Ströme zu führen.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrische Widerstand aus einer Stromleitung besteht. Dies stellt eine besonders kostengünstige Lösung dar, da hier zusätzlich zu der ohnehin vorhandenen Stromleitung kein weiterer elektrischer Widerstand installiert werden muss. Da die Leitung eine gewisse Länge aufweist, kann die Wärme beim Bremsen gut über die Leitung abgegeben werden. Da der elektrische Widerstand einer Stromleitung jedoch eher gering ist, kann auf diese Art und Weise kein schneller Bremsvorgang verwirklicht werden, weshalb in den meisten Fällen das Vorsehen einer Stromleitung nicht ausreichen wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrische Widerstand im Motor integriert ist. In diesem Fall kann der elektrische Widerstand direkt im Motorgehäuse untergebracht werden, so dass außen am Gehäuse lediglich ein Anschluss für den elektrischen Widerstand an den Schalter mit dem Massepunkt des Umrichters vorhanden sein muss. Der elektrische Widerstand kann auch in mehrere Widerstände aufgeteilt sein, um so die Wärme besser abführen zu können.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Umrichter aus einer Brückenschaltung mit einer ersten und einer zweiten Brückenhälfte besteht. Als erste Brückenhälfte im Sinn der vorliegenden Erfindung sind die ersten drei Schalter zu verstehen, auch als obere Brückenhälfte bezeichnet, und als zweite Brückenhälfte die zweiten drei Schalter, auch als untere Brückenhälfte bezeichnet. Dabei können die beiden Hälften der Brückenschaltung dazu genutzt werden, den Bremsvorgang zu steuern. Über die zweite Brückenhälfte, welche mit dem Massepunkt des Umrichters verbunden ist, fließt beim Betrieb der elektrischen Bremseinrichtung der Strom, so dass diese im Bremsbetrieb eingeschaltet sein muss. Die erste Brückenhälfte, welche nicht mit dem Massepunkt des Umrichters verbunden ist, dient zum Ausschalten der Verbindung zwischen Umrichter und Gleichspannungszwischenkreis, so dass durch das Abschalten der ersten Brückenhälfte der Antriebsmotor von dem den Umrichter speisenden Gleichspannungszwischenkreis abgetrennt werden kann.
Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass in den Phasen zur Versorgung des Motors mit elektrischer Spannung Stromwandler zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit angeordnet sind. Mit diesen Stromwandlern kann überprüft werden, ob der Umrichter korrekt funktioniert, und gleichzeitig können diese Stromwandler dazu genutzt werden, um den Bremsvorgang zu überwachen.
Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass der Umrichter ein bidirektionaler Wechselrichter ist. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, vom Synchronmotor abgegebene elektrische Energie beim normalen generatorischen Bremsen über den bidirektionalen Wechselrichter an den Gleichspannungszwischenkreis und einen zweiten bidirektionalen Wechselrichter auch an das Stromnetz zurückzuspeisen. Dies dient der Einsparung von elektrischer Energie, indem beim Bremsen erzeugte elektrische Energie nicht einfach in Wärme umgewandelt, sondern in das Stromnetz zurückgespeist wird.
Weiterhin ist vorgesehen, dass zusätzlich eine mechanisch wirkende Haltebremse zum Festsetzen des Motors vorhanden ist. Diese Haltebremse kann sehr klein und kompakt dimensioniert werden, da sie den Motor nicht abbremsen muss, sondern ausschließlich dazu dient, den Motor nach dem Abbremsen mechanisch festzusetzen, so dass er sich nicht ungewollt weiterdrehen kann. Eine derartige mechanische Haltebremse ist weitaus kostengünstiger als eine dynamische mechanische Bremse, welche auch dazu ausgelegt sein muss, den elektrischen Antrieb aus hohen Drehzahlen abzubremsen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Figuren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 eine Variante mit zusätzlichem elektrischen Bremswiderstand und
2 eine zweite Variante, bei der der elektrische Bremswiderstand aus einer Stromleitung besteht.
1 zeigt die elektronische Ansteuerung eines Synchronantriebs, wie er auch bei Druckmaschinen zum Einsatz kommt. Der Synchronantrieb M wird dabei über einen Dreiphasenanschluss von einem Umrichter U mit der benötigten Motorspannung versorgt. Der Umrichter U besteht aus zwei Brückenzweigen, dem ersten oberen Brückenzweig mit drei Transistoren S₁, S₂, S₃ und dem zweiten unteren Brückenzweig mit ebenfalls drei Transistoren S₄, S₅, S₆. Den Transistoren S₁, S₂, S₃ S₄, S₅, S₆ in beiden Brückenzweigen sind jeweils Freilaufdioden D₁, D₂, D₃, D₄, D₅, D₆ parallel geschaltet, diese Freilaufdioden D₁, D₂, D₃, D₄, D₅, D₆ sind Bestandteil des Umrichters U und beim Einsatz von IGBTs als Schalter S₁, S₂, S₃ S₄, S₅, S₆ in die IGBTs integriert. Diese in der Brückenschaltung ohnehin vorhandenen Freilaufdioden D₁, D₂, D₃, D₄, D₅, D₆ werden beim normalen Betrieb des Umrichters U benötigt, so dass für die elektrische Bremseinrichtung keine zusätzlichen Dioden vorzusehen sind. Die Freilaufdioden D₁, D₂, D₃, D₄, D₅, D₆ werden nun auch zusätzlich dazu verwendet, beim Einsatz der elektrischen Bremseinrichtung und bei Ausfall des Umrichters U den generatorischen Strom des Antriebsmotors M zu führen.
Der Umrichter U ist an einen Gleichspannungszwischenkreis G angeschlossen, welcher wiederum in hier nicht gezeigter Form über einen Gleichrichter mit dem Stromnetz verbunden ist. Des Weiteren sind in den drei Phasen zur Spannungsversorgung des Motors M drei Stromwandler W integriert, welche den Strom erfassen und zur Überwachung der Funktionsfähigkeit des Umrichters U dienen.
Wenn der Umrichter U ausfällt und die oberen Schalter S₁, S₂, S₃ nicht mehr schalten, so wird durch die geöffneten Schalter S₁, S₂, S₃ die untere Hälfte des Umrichters U vom Gleichspannungszwischenkreis G abgetrennt und der zusätzliche Schalter S₇, welcher wie die übrigen Schalter S₁ bis S₆ als IGBT ausgebildet sein kann, geschlossen, um so den Bremsstromkreis zu schließen. Dazu ist der Schalter S₇ an den Wicklungsmittelpunkt S des Motors M angeschlossen und auf der anderen Seite an einen Bremswiderstand R. Über die Dioden D₄, D₅, D₆ der zweiten Brückenhälfte wird dann der Stromkreis geschlossen und die im Motor M vorhandene rotatorische Energie durch generatorisches Bremsen, bei dem die Energie im Bremswiderstand R in Wärme umgewandelt wird, abgebremst. Nachdem der Motor M auf Stillstand herunter gebremst wurde, wird eine mechanische Haltebremse H geschlossen, um ein Verdrehen des Motors M zu verhindern.
Bei der Variante in 2 ist kein zusätzlicher Widerstand R vorhanden, sondern es wird der Widerstand der Stromleitung zwischen dem Wicklungsmittelpunkt S und dem Schalter S₇ als Bremswiderstand R genutzt. Wenn die Leitung zwischen dem Schalter S₇ und dem Wicklungsmittelpunkt S lang genug ist, so kann die Wärme gleichmäßig abgegeben werden und ein kurzer Bremsvorgang führt zu keiner Überbelastung der Stromleitung. Auch hier wird nach dem Abbremsen des Motors M die mechanische Haltebremse H geschlossen, um ein Verdrehen des Motors zu verhindern.
Mit beiden Varianten in den 1 und 2 kann so bei Ausfall des Umrichters U durch Schließen des Schalters S₇ ein generatorischer Bremsvorgang in die Wege geleitet werden, ohne dass viele zusätzliche elektrische Bauelemente benötigt werden, so wie dies im Stand der Technik erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

M

Motor

G

Gleichspannungszwischenkreis

R

Widerstand

S₁, S₂, S₃, S₄, S₅, S₆, S₇

Schalter

D₁, D₂, D₃, D₄, D₅, D₆

Freilaufdiode

S

Wicklungsmittelpunkt

W

Stromwandler

U

Umrichter

H

mechanische Feststellbremse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10160612 A1 [0002]
US 8026681 B2 [0003]

Claims

Elektrische Bremseinrichtung für elektronisch angesteuerte Synchronmotoren (M), welche über einen Umrichter (U) mit Spannung versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronmotor (M) einen Wicklungsmittelpunkt (S) aufweist und dass der Wicklungsmittelpunkt (S) über einen elektrischen Widerstand (R) und einen Schalter (S₇) mit dem Massepunkt des Umrichters (U) verbunden ist und dass die mit dem Massepunkt verbundenen Phasen des Umrichters (U) jeweils eine Freilaufdiode (D₄, D₅, D₆) aufweisen.
Elektrische Bremseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (R) aus einer Stromleitung besteht.
Elektrische Bremseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (R) im Motor (M) integriert ist.
Elektrische Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (U) aus einer Brückenschaltung mit einer ersten und einer zweiten an den Massepunkt des Umrichters (U) angeschlossenen Brückenhälfte besteht.
Elektrische Bremseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der elektrischen Bremseinrichtung die zweite Brückenhälfte des Umrichters (U) eingeschaltet ist.
Elektrische Bremseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Ausschalten der ersten Brückenhälfte die elektrische Bremseinrichtung und der Motor (M) von einem den Umrichter (U) speisenden Gleichspannungszwischenkreis (G) abgetrennt werden.
Elektrische Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Phasen zur Versorgung des Motors (M) mit elektrischer Spannung Stromwandler (W) zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Umrichters (U) angeordnet sind.
Elektrische Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (U) ein bidirektionaler Wechselrichter ist.
Elektrische Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine mechanisch wirkende Haltebremse (H) zum Festsetzen des Motors (M) vorhanden ist.
Elektrische Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (S₁, S₂, S₃, S₄, S₅, S₆) des Umrichters (U) IGBT-Schalter sind.