DE102013200230A1

DE102013200230A1 - Thyristor-Leistungssteller

Info

Publication number: DE102013200230A1
Application number: DE201310200230
Authority: DE
Inventors: Franz Hackl; Gerald Hörist; Detlef Knickenberg; Roland Schmid; Jörg Schobesberger; Harald Schwarzmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2014-07-10

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thyristor-Leistungssteller mit mehreren Leistungsteilen, welche mittels eines Steuer- und Regelungsteils (STR) angesteuert sind, wobei jeder Leistungsteil als ein Phasenmodul (P1, P2, P3, P4, Pm) ausgebildet ist, welches einen Leistungseingang zum Anschluss an eine Phase (L1, L2, L3) eines Versorgungsnetzes (NET1, NET2) und einen Leistungsausgang aufweist, wobei des Weiteren jedes Phasenmodul (P1, P2, P3, P4, Pm) über eine Steuerschnittstelle mit dem Steuer- und Regelungsteil (STR) verbunden ist und wobei das Steuer- und Regelungsteil (STR) eingerichtet ist, um die einzelnen Phasenmodule (P1, P2, P3, P4, Pm) entsprechend ihrer jeweiligen Verschaltung anzusteuern. Durch die Ausführung als Phasenmodul (P1, P2, P3, P4, Pm) sind die Leistungsteile zum Aufbau unterschiedlicher Leistungsstellertopologien geeignet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor-Leistungssteller mit mehreren Leistungsteilen, welche mittels eines Steuer- und Regelungsteils angesteuert sind.
Als Thyristor-Leistungssteller wird ein elektrisches Gerät bezeichnet, welches zwischen ein Versorgungsnetz und einen Verbraucher geschaltet ist und der Leistungs-, Strom- und/oder Spannungssteuerung bzw. -regelung dient. Andere geläufige Bezeichnungen sind Thyristorsteller, Powerregulator, Power Controller oder einfach Leistungssteller.
Insbesondere im industriellen Bereich sind Anordnungen im Einsatz, die einen Steuer- und Regelungsteil und mehrere unterschiedlich aufgebaute Leistungsteile umfassen. In erster Linie dienen solche Anordnungen der Versorgung unterschiedlicher Lasten.
Beispielsweise kennt man aus der EP 1 193 855 A2 einen Leistungssteller, der zur Ansteuerung mehrerer Motoren eingerichtet ist. Jedem Motor ist dabei ein separater Leistungsteil zugeordnet, wobei alle Leistungsteile mittels eines gemeinsamen Steuer- und Regelungsteils angesteuert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Thyristor-Leistungssteller der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Verbesserte Ausführungen sind in abhängigen Ansprüchen angeführt.
Dabei ist jeder Leistungsteil als ein Phasenmodul ausgebildet, welches einen Leistungseingang zum Anschluss an eine Phase eines Versorgungsnetzes und einen Leistungsausgang aufweist, wobei jedes Phasenmodul über eine Steuerschnittstelle mit dem Steuer- und Regelungsteil verbunden ist und wobei das Steuer- und Regelungsteil eingerichtet ist, um die einzelnen Phasenmodule entsprechend ihrer jeweiligen Verschaltung anzusteuern. Durch die Ausführung als Phasenmodul sind die Leistungsteile zum Aufbau unterschiedlicher Leistungsstellertopologien geeignet. Es liegen also keine vorkonfigurierten Leistungsteile in Form von drei- oder einphasigen Stellern vor. Erst die Verschaltung einzelner Phasenmodule ergibt den Aufbau der einzelnen Leistungsstellertypen. Dabei ist das Steuer- und Regelungsteil für die Ansteuerung jeder beliebigen Verschaltungskombination eingerichtet, sodass insgesamt eine flexibel einsetzbare Lösung vorliegt.
Darüber hinaus sind die Phasenmodule an unterschiedliche Versorgungsnetze anschließbar, mit unterschiedlichen Netzspannungen oder -frequenzen. Die Ausgestaltung als Phasenmodul ermöglicht zudem einen raschen Austausch einzelner Module, wodurch Ausfallzeiten vermieden werden.
Vorteilhaft ist es, wenn das Steuer- und Regelungsteil zur Ansteuerung von bis zu sechs Phasenmodulen eingerichtet ist. Damit bleibt einerseits die Flexibilität erhalten, weil mehrere einphasige Lasten oder bis zu drei dreiphasige Lasten mittels dreier Sparschaltungen betreibbar sind. Andererseits hält sich die Komplexität des Steuer- und Regelungsteils in Grenzen, mit einer damit verbunden erhöhten Ausfallsicherheit und Kostenersparnis.
Günstigerweise ist das Steuer- und Regelungsteil zur Temperaturüberwachung der angeschlossenen Phasenmodule eingerichtet, um Fehler rasch zu erkennen und gegebenenfalls ein Phasenmodul geordnet abschalten zu können.
Von Vorteil ist es des Weiteren, wenn das Steuer- und Regelungsteil einen Steckplatz zur Aufnahme einer Steckkarte umfasst. Eine solche Steckkarte erweitert die Funktionalität des Steuer- und Regelungsteils. In einem einfachen Fall handelt es sich um eine Feldbuskarte, um das Steuer- und Regelungsteil an eine übergeordnete Steuerung anzuschließen.
Eine weitere Vereinfachung sieht vor, dass das Steuer- und Regelungsteil als Basisgerät mit einer Datenschnittstelle zur Erweiterung mit wenigstens einem Optionenmodul ausgebildet ist. Für einfache Anwendungen reicht eine minimierte Funktionalität des Basisgeräts, mit der damit verbundenen reduzierten Störungsanfälligkeit. Nur im Bedarfsfall wird das Basisgerät um ein Optionenmodul erweitert, um weitere Funktionen verfügbar zu machen.
Dabei ist es günstig, wenn das Basisgerät mit einem Optionenmodul verbunden ist und wenn das Optionenmodul mindestens einen Steckplatz zur Aufnahme einer Steckkarte umfasst. Auf diese Weise ist das Basismodul besonders einfach ausführbar, ohne die Flexibilität einer Steckkartenerweiterung einzubüßen.
In einer weiteren günstigen Ausprägung ist das Basisgerät mit einem Optionenmodul verbunden, welches zur Ansteuerung eines Mittelspannungs-Thyristorstellers eingerichtet ist. Das Basisgerät selbst bleibt dann für einfache Anwendungen im Niederspannungssegment konzipiert. Nur für den Einsatz im Mittelspannungssegment mit fünf angesteuerten Phasenmodulen wird das entsprechende Optionenmodul an das Basisgerät angeschlossen.
Für ein sogenanntes Power Load Management ist es günstig, wenn das Steuer- und Regelungsteil zur Durchführung einer übergeordneten Netzlastausgleichsregelung eingerichtet ist. Damit werden eine Netzlastoptimierung, eine Maximumüberwachung und ein Energiemanagement erreicht. Resultate sind die Vermeidung von Lastspitzen in einem internen Netz und von Maximumsüberschreitungen gegenüber einem Versorgungsnetzbetreiber sowie die Erhebung von Daten für eine Energiebilanz der versorgten Verbraucher.
In einer Ausprägung der Erfindung ist vorgesehen, dass drei Phasenmodule zu einem dreiphasigen Steller verschaltet sind, dass dabei jedes Phasenmodul jeweils an eine unterschiedliche Phase eines dreiphasigen Versorgungsnetzes angeschlossen ist und dass die Ansteuerung der drei Phasenmodule mittels des Steuer- und Regelungsteils als eine Regelungsinstanz eingerichtet ist.
Dabei sind günstigerweise die Leistungsausgänge der drei Phasenmodule an einen in Dreieckschaltung verschalteten Verbraucher oder an einen in Sternschaltung verschalteten Verbraucher angeschlossen.
Alternativ dazu oder in einer parallelen Anordnung sind zwei Phasenmodule in einer Sparschaltung zur Ansteuerung einer dreiphasigen Last verschaltet, wobei die Ansteuerung der beiden Phasenmodule mittels des Steuer- und Regelungsteils als eine Regelungsinstanz eingerichtet ist.
Eine weitere Variante sieht vor, dass ein einzelnes Phasenmodul als einphasiger Steller an eine Phase eines Versorgungsnetz angeschlossen ist, wobei die Ansteuerung des einzelnen Phasenmoduls mittels des Steuer- und Regelungsteils als eine Regelungsinstanz eingerichtet ist.
Für eine kostengünstige Herstellung und eine einfache Wartung ist es von Vorteil, wenn jedes Phasenmodul gleicher Leistung baugleich ausgeführt ist.
Zur weiteren Flexibilisierung der Bedienbarkeit ist es zudem günstig, wenn das Steuer- und Regelungsteil einen Steckplatz für ein Bedienfeld umfasst. Auf diese Weise sind je nach Anwendungsfall unterschiedlich komplexe Bedienelemente einsetzbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 Steuer- und Regelungsmodul mit mehreren Phasenmodulen, welche auf unterschiedliche Weise verschaltet sind
2 Steuer- und Regelungsmodul, bestehend aus einem Basisgerät und mehreren Optionenmodulen
3 Einphasiger Steller
4 Drei einphasige Steller an einem dreiphasigen Netz
5 Sparschaltung mit zwei Phasenmodulen und in Sternschaltung verschaltetem Verbraucher
6 Sparschaltung mit zwei Phasenmodulen und in Dreieckschaltung verschaltetem Verbraucher
7 Dreiphasiger Steller mit in offener Dreieckschaltung verschaltetem Verbraucher
In 1 sind ein dreiphasiger Steller TS1 und ein einphasiger Steller TS2 an einen Steuer- und Regelungsteil STR angeschlossen. Gestrichelt sind weitere Steller TSn angedeutet, mit einem weiteren Phasenmodul Pm.
Der dreiphasige Steller TS1 umfasst drei Phasenmodule P1, P2, P3. Die Ausgänge dieser Phasenmodule P1, P2, P3 sind mit einem in Dreieckschaltung verschalteten Verbraucher verbunden. Die Istwerte des Stromes und/oder der Spannung an den Ausgängen sind dem Steuer- und Regelungsteil STR zugeführt und bilden die Eingangsgrößen für eine erste Regelungsinstanz RI1 zur geregelten Ansteuerung der drei Phasenmodule P1, P2, P3. Jedes der drei Phasenmodule P1, P2, P3 ist dabei an eine unterschiedliche Phase L1₁, L2₁, L3₁ eines ersten Versorgungsnetzes NET1 angeschlossen.
Der einphasige Steller TS2 umfasst nur ein Phasenmodul P4, welches an eine Phase L1₂ eines zweiten Versorgungsnetzes NET2 angeschlossen ist. An die beiden anderen Phasen L2₂, L3₂ dieses zweiten Netzes NET2 sind weitere Phasenmodule anschließbar. Der Ausgang des einphasigen Stellers TS2 ist mit einer Last verbunden, wobei die Istwerte des Stromes und/oder der Spannung wiederum dem Steuer- und Regelungsteil STR zur Bildung einer zweiten Regelungsinstanz RI2 zugeführt sind.
Auch die Messwerte an den Ausgängen weiterer angeschlossener Steller TSn sind dem Steuer- und Regelungsteil STR zur Bildung weiterer Regelungsinstanzen RIn zugeführt.
In der Regel werden das Steuer- und Regelungsteil STR und mindestens ein Phasenmodul P4 unmittelbar nebeneinander aufgebaut. Die übrigen Phasenmodule P1, P2, P3, Pm schließen daran an oder sind in separaten Geräteschränken untergebracht.
Das Steuer- und Regelungsteil STR umfasst für jedes Phasenmodul P1, P2, P3, P4, Pm eine individuelle Steuerung, wobei diese individuellen Steuerungen miteinander kommunizieren und sich abstimmen. Zudem gibt es gemeinsame Komponenten, die unabhängig von der Anzahl der Phasenmodule P1, P2, P3, P4, Pm nur einmal vorhanden sind, wie z.B. eine Stromversorgung.
Für eine einfache Inbetriebnahme ist es günstig, wenn eine Lasterkennungsfunktion des Steuer- und Regelungsteils STR automatische Parametereinstellungen vornimmt und daraus für jedes Phasenmodul P1, P2, P3, P4, Pm den optimalen Steuermodus bestimmt und einstellt.
Bevorzugterweise ist eine Anbindung an eine übergeordnete Steuerung vorgesehen. Dazu umfasst das Steuer- und Regelungsteil STR eine Feldbus-Schnittstelle. Diese ist entweder fix vorhanden oder durch Einschieben einer entsprechenden Steckkarte in einen Karteneinschub E₀ realisiert. Es besteht auch die Möglichkeit, ein Optionenmodul O1, O2, Om mit einer entsprechenden Feldbus-Schnittstelle an ein als Basisgerät B ausgeführtes Steuer- und Regelungsteil STR anzuschließen. Eine solche Anordnung ist in 2 dargestellt. Über Datenschnittstellen D1, D2, Dm sind bei diesem Beispiel mehrere Optionenmodule O1, O2, Om mit dem Basisgerät B verbunden. Jedes dieser Optionenmodule O1, O2, Om verfügt über weitere Karteneinschübe E1₁, E1₂, E1_n, E2₁, E2₂, E2_p, Em₁, Em₂, Em_q.
Auf diese Weise sind weitere Optionen und zusätzliche Schnittstellen realisierbar, wobei die Optionenmodule O1, O2, Om günstigerweise, im Design angepasst, neben dem Basisgerät B in einem Geräteschrank untergebracht sind. Das Basisgerät B selbst verfügt nur über einfache Funktionalitäten, mit einem kompakten Aufbau und geringer Störungsanfälligkeit. Werden dennoch weitere Funktionen, höhere Genauigkeiten oder zusätzliche Schnittstellen gefordert, ist das System sofort oder auch nachträglich mit Optionsmodulen O1, O2, Om erweiterbar. Dabei sind die weiteren Funktionalitäten wie zusätzliche Bussysteme oder weitere I/O Slots anforderungsspezifisch skalierbar.
Bei den üblichen Niederspannungsanwendungen gibt es verschiedene Verschaltungen der einzelnen Phasenmodule P1, P2, P3, P4, Pm. Im einfachsten Fall handelt es sich um eine einphasige Last (3) oder auch um mehrere einphasige Lasten (4), angeschlossen an jeweils ein Phasenmodul, welches mittels des Steuer- und Regelungsteils STR angesteuert ist. Die einzelnen Phasenmodule und Lasten sind zwischen zwei Phasen L1, L2, L3, N eines Versorgungsnetzes geschaltet und werden dabei voneinander unabhängig gesteuert und geregelt.
In 5 und 6 sind dreiphasige Lasten dargestellt, die mittels einer Sparschaltung, welche zwei Phasenmodule und einen Steuer- und Regelungsteil STR umfasst, voneinander abhängig gesteuert und geregelt werden. Das Optimum für den weit überwiegenden Teil der Anwendungen ist ein Steuer- und Regelungsteil STR, das drei oder vier Phasenmodule steuern kann. Letzteres, weil mit vier Phasenmodulen zwei Sparschaltungen, die in der Praxis bevorzugt werden, realisiert werden können.
7 zeigt eine dreiphasige Last mit drei Phasenmodulen, die mittels des Steuer- und Regelungsteils STR voneinander abhängig gesteuert und geregelt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1193855 A2 [0004]

Claims

Thyristor-Leistungssteller mit mehreren Leistungsteilen, welche mittels eines Steuer- und Regelungsteils (STR) angesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Leistungsteil als ein Phasenmodul (P1, P2, P3, P4, Pm) ausgebildet ist, welches einen Leistungseingang zum Anschluss an eine Phase (L1, L2, L3) eines Versorgungsnetzes (NET1, NET2) und einen Leistungsausgang aufweist, dass des Weiteren jedes Phasenmodul (P1, P2, P3, P4, Pm) über eine Steuerschnittstelle mit dem Steuer- und Regelungsteil (STR) verbunden ist und dass das Steuer- und Regelungsteil (STR) eingerichtet ist, um die einzelnen Phasenmodule (P1, P2, P3, P4, Pm) entsprechend ihrer jeweiligen Verschaltung anzusteuern.
Thyristor-Leistungssteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- und Regelungsteil (STR) zur Ansteuerung von höchstens sechs Phasenmodulen (P1, P2, P3, P4, Pm) eingerichtet ist.
Thyristor-Leistungssteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- und Regelungsteil (STR) zur Temperaturüberwachung der angeschlossenen Phasenmodule (P1, P2, P3, P4, Pm) eingerichtet ist.
Thyristor-Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- und Regelungsteil (STR) einen Steckplatz (E₀) zur Aufnahme einer Steckkarte umfasst.
Thyristor-Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- und Regelungsteil (STR) als Basisgerät (B) mit einer Datenschnittstelle (D1, D2, Dm) zur Erweiterung mit wenigstens einem Optionenmodul (O1, O2, Om) ausgebildet ist.
Thyristor-Leistungssteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisgerät (B) mit einem Optionenmodul (O1) verbunden ist und dass das Optionenmodul (O1) mindestens einen Steckplatz (E1₁, E1₂, E1_n) zur Aufnahme einer Steckkarte umfasst.
Thyristor-Leistungssteller nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisgerät (B) verbunden ist mit einem Optionenmodul (O1), welches zur Ansteuerung eines Mittelspannungs-Thyristorstellers eingerichtet ist.
Thyristor-Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- und Regelungsteil (STR) zur Durchführung einer übergeordneten Netzlastausgleichsregelung eingerichtet ist.
Thyristor-Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass drei Phasenmodule (P1, P2, P3) zu einem dreiphasigen Steller (TS1) verschaltet sind, dass dabei jedes Phasenmodul (P1, P2, P3) jeweils an eine unterschiedliche Phase (L1₁, L2₁, L3₁) eines dreiphasigen Versorgungsnetzes (NET1) angeschlossen ist und dass die Ansteuerung der drei Phasenmodule (P1, P2, P3) mittels des Steuer- und Regelungsteils (STR) als eine Regelungsinstanz (RI1) eingerichtet ist.
Thyristor-Leistungssteller nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsausgänge der drei Phasenmodule (P1, P2, P3) an einen in Dreieckschaltung verschalteten Verbraucher angeschlossen sind.
Thyristor-Leistungssteller nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsausgänge der drei Phasenmodule (P1, P2, P3) an einen in Sternschaltung verschalteten Verbraucher angeschlossen sind.
Thyristor-Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Phasenmodule in einer Sparschaltung zur Ansteuerung einer dreiphasigen Last verschaltet sind und dass die Ansteuerung der beiden Phasenmodule mittels des Steuer- und Regelungsteils (STR) als eine Regelungsinstanz eingerichtet ist.
Thyristor-Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelnes Phasenmodul (P4) als einphasiger Steller an eine Phase (L1₂) eines Versorgungsnetz (NET2) angeschlossen ist und dass die Ansteuerung des einzelnen Phasenmoduls (P4) mittels des Steuer- und Regelungsteils (STR) als eine Regelungsinstanz (RI2) eingerichtet ist.
Thyristor-Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Phasenmodul gleicher Leistung (P1, P2, P3, P4, Pm) baugleich ausgeführt ist.
Thyristor-Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer- und Regelungsteil (STR) einen Steckplatz für ein Bedienfeld umfasst.