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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Direktumrichter,
- – wobei der Direktumrichter eine Anzahl an ersten Umrichtergruppen aufweist,
- – wobei die ersten Umrichtergruppen jeweils eine Anzahl an netzgeführten ersten Stromrichtern aufweisen,
- – wobei die ersten Stromrichter jeweils mindestens als bipolare B6-Gruppen ausgebildet sind und mit einer ersten Wicklungsgruppe einer Drehstrommaschine verbunden sind,
- – wobei die Anzahl an ersten Stromrichtern pro erster Umrichtergruppe der Anzahl an Phasen der ersten Wicklungsgruppe entspricht,
- – wobei die ersten Stromrichter mindestens einer der ersten Umrichtergruppen einen gemeinsamen ersten Sternpunkt aufweisen,
- – wobei der Direktumrichter eine die ersten Umrichtergruppen steuernde gemeinsame Steuereinrichtung aufweist,
- – wobei die Steuereinrichtung eine Sollansteuerung entgegennimmt und anhand der Sollansteuerung für die ersten Stromrichter jeweilige erste Kommutierungssignale ermittelt und an die ersten Stromrichter übermittelt.
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Direktumrichter sind allgemein bekannt. Sie setzen eine eingangsseitige mehrphasige Wechselspannung direkt in eine ausgangsseitige mehrphasige Wechselspannung um. Rein beispielhaft wird auf die
DE 44 39 760 A1 erwiesen. Die Anzahl an Phasen der eingangsseitigen und der ausgangsseitigen Wechselspannung können gleich oder voneinander verschieden sein. Mindestens sind jedoch jeweils drei Phasen vorhanden. Diese Ausgestaltung stellt auch den in der Praxis weit überwiegenden Regelfall dar.
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Netzgeführte Stromrichter weisen bei einem kleinen Aussteuergrad prinzipbedingt einen hohen Blindleistungsbedarf und einen hohen Strom auf. Dies führt zu entsprechend hohen Netzrückwirkungen und hiermit korrespondierend zu erhöhten Verlusten bei der Energieübertragung. Dies trifft zwar nicht nur, wohl aber auch für Direktumrichter zu, die mit netzgeführten Stromrichtern aufgebaut sind. Beispielsweise ist der Blindleistungsbedarf bei folgenden Betriebszuständen besonders hoch:
- – beim Anfahren von Erzmühlen unter voller Last,
- – beim Tippbetrieb und beim Positionieren von Erzmühlen unter Last,
- – beim Kürzen von Seilen bei Fördermaschinen,
- – beim Beschleunigen der Last bei Fördermaschinen,
- – beim Leerfahren von Bandanlagen mit reduzierter Geschwindigkeit im Falle des Ausfalls eines von mehreren Antrieben,
- – bei Gerüstantrieben in Walzwerken wie beispielsweise Kaltwalzwerken,
- – bei Haspelantrieben in Walzwerken, insbesondere in dem Falle, dass bei großem Wickeldurchmesser im Stillstand ein hoher Zug aufgebracht werden soll.
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Bei Gleichstromantrieben ist bekannt, den Antrieb mit einer Umrichtergruppe zu betreiben, die zwei in Reihe geschaltete netzgeführte Stromrichter aufweist. Zur Reduktion des Blindleistungsbedarfs werden die beiden Stromrichter in Zu- und Gegen-Aussteuerung betrieben. Je nach Auslegung und Arbeitspunkt kann dadurch der Blindleistungsbedarf deutlich – im Extremfall um bis zu 50% – reduziert werden.
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Bei den heute üblichen Steuerverfahren für Stromrichter werden die Zündbefehle für die einzelnen Thyristoren des betreffenden Stromrichters von einem jeweiligen Steuersatz generiert, der dem jeweiligen Stromrichter zugeordnet ist. Die Vorgabe der Zündbefehle durch den jeweiligen Steuersatz bewirkt eine ordnungsgemäße Kommutierung innerhalb der Thyristoren des jeweiligen Stromrichters. Mit derartigen Steuerverfahren wird die Zu- und Gegen-Aussteuerung nur für Direktumrichter mit 12pulsiger Reihenschaltung in kreisstromführender Schaltung mit Saugdrosseln beherrscht.
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Den Vorteilen einer Blindleistungsreduktion durch Zu- und Gegen-Aussteuerung mit den heute üblichen Steuerverfahren für netzgeführte Stromrichter stehen sich dadurch ergebende Nachteile gegenüber. So treten beispielsweise erhöhte Netzharmonische auf. Weiterhin ergeben sich zusätzliche Nichtlinearitäten im Stromrichter aufgrund des vom Aussteuergrad abhängigen Wechsels zwischen 12pulsiger und 6pulsiger Netzrückwirkung. Weiterhin ist ein erhöhter Aufwand zur Vermeidung oder zur Beherrschung von Sättigungseffekten in den Saugdrosseln erforderlich. Aufgrund dieser Nachteile wird die Zu- und Gegen-Aussteuerung zur Reduktion der Blindleistungsaufnahme in der Praxis kaum beherrscht und auch kaum eingesetzt.
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Im Stand der Technik wird der Blindleistungsbedarf in der Regel mittels Kompensationsanlagen kompensiert. Durch die Kompensationsanlagen entstehen jedoch ein erhöhter Aufwand und erhöhte Kosten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer der Blindleistungsbedarf eines Direktumrichters reduziert werden kann, ohne die oben genannten Nachteile des Standes der Technik in Kauf nehmen zu müssen.
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Die Aufgabe wird durch einen Direktumrichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Direktumrichters sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 10.
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Erfindungsgemäß wird ein Direktumrichter der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet, dass die Steuereinrichtung zumindest für manche Sollansteuerungen anhand eines Optimierungskriteriums statisch oder dynamisch eine erste Nullspannungskomponente ermittelt und die ersten Kommutierungssignale unter Berücksichtigung der ersten Nullspannungskomponente ermittelt.
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Zur Implementierung des erfindungsgemäßen Prinzips sind verschiedene Ausgestaltungen möglich. So ist es beispielsweise möglich, dass die Steuereinrichtung die erste Nullspannungskomponente derart ermittelt, dass innerhalb der den gemeinsamen ersten Sternpunkt aufweisenden ersten Umrichtergruppe derjenige erste Stromrichter, bei dem der Betrag des an die Drehstrommaschine abgegebenen Stromes am größten ist, möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird. Der Begriff „Gleichrichtergrenze“ ist für einen Fachmann auf dem Gebiet von Umrichtern und Stromrichtern ein feststehender Begriff mit klarer Bedeutung und muss daher nicht näher erläutert werden.
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Alternativ ist es möglich, dass die Steuereinrichtung die erste Nullspannungskomponente derart ermittelt, dass innerhalb der den gemeinsamen ersten Sternpunkt aufweisenden ersten Umrichtergruppe derjenige erste Stromrichter, bei dem der an die Drehstrommaschine abgegebene Strom und/oder die an die Drehstrommaschine angelegte Spannung am positivsten sind, möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird.
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Wiederum alternativ ist es möglich, dass die Steuereinrichtung die erste Nullspannungskomponente derart ermittelt, dass innerhalb der den gemeinsamen ersten Sternpunkt aufweisenden ersten Umrichtergruppe derjenige erste Stromrichter, bei dem der an die Drehstrommaschine abgegebene Strom und/oder die an die Drehstrommaschine angelegte Spannung am negativsten sind, möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird.
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Um die obenstehend genannten möglichen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Prinzips zu realisieren, ist nur eine einzige Umrichtergruppe – bisher und auch nachfolgend als erste Umrichtergruppe bezeichnet – erforderlich. Es existieren jedoch auch Direktumrichter, die mehr als eine Umrichtergruppe aufweisen, also zusätzlich zur ersten Umrichtergruppe zumindest eine zweite Umrichtergruppe. In diesem Fall kann der erfindungsgemäße Direktumrichter zusätzlich dadurch ausgestaltet sein,
- – dass der Direktumrichter eine Anzahl an zweiten Umrichtergruppen aufweist,
- – dass die zweiten Umrichtergruppen jeweils eine Anzahl an netzgeführten zweiten Stromrichtern aufweisen,
- – dass die zweiten Stromrichter jeweils mindestens als bipolare B6-Gruppe ausgebildet sind und mit einer Wicklungsgruppe der Drehstrommaschine verbunden sind,
- – dass die Anzahl an zweiten Stromrichtern pro zweiter Umrichtergruppe der Anzahl an Phasen der ersten Wicklungsgruppe entspricht,
- – dass die zweiten Stromrichter mindestens einer der zweiten Umrichtergruppen einen gemeinsamen zweiten Sternpunkt aufweisen,
- – dass die Steuereinrichtung anhand der Sollansteuerung auch für die zweiten Stromrichter jeweilige zweite Kommutierungssignale ermittelt und an die zweiten Stromrichter übermittelt und
- – dass die Steuereinrichtung für diejenigen Sollansteuerungen, bei denen sie die erste Nullspannungskomponente ermittelt, anhand des Optimierungskriteriums statisch oder dynamisch auch eine zweite Nullspannungskomponente ermittelt und die zweiten Kommutierungssignale unter Berücksichtigung der zweiten Nullspannungskomponente ermittelt.
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Die Wicklungsgruppe der Drehstrommaschine, mit der die zweiten Stromrichter verbunden sind, kann mit der ersten Wicklungsgruppe identisch sein. Alternativ ist es möglich, dass die Wicklungsgruppe der Drehstrommaschine, mit der die zweiten Stromrichter verbunden sind, eine von der ersten Wicklungsgruppe verschiedene zweite Wicklungsgruppe der Drehstrommaschine ist. In diesem letztgenannten Fall entspricht die Anzahl an Phasen der zweiten Wicklungsgruppe der Anzahl an Phasen der ersten Wicklungsgruppe.
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Im Falle des Vorhandenseins der mindestens einen zweiten Umrichtergruppe ist insbesondere dadurch eine Ausgestaltung des Direktumrichters möglich, dass die Steuereinrichtung
- – die erste Nullspannungskomponente derart ermittelt, dass innerhalb der den gemeinsamen ersten Sternpunkt aufweisenden ersten Umrichtergruppe derjenige erste Stromrichter, bei dem der an die Drehstrommaschine abgegebene Strom und/oder die an die Drehstrommaschine angelegte Spannung am positivsten sind, möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird, und
- – die zweite Nullspannungskomponente derart ermittelt, dass innerhalb der den gemeinsamen zweiten Sternpunkt aufweisenden zweiten Umrichtergruppe derjenige zweite Stromrichter, bei dem der an die Drehstrommaschine abgegebene Strom und/ oder die an die Drehstrommaschine angelegte Spannung am negativsten sind, möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird.
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Für die Ermittlung der ersten Nullspannungskomponente existieren verschiedene Möglichkeiten. Derzeit ist bevorzugt, dass die Steuereinrichtung die erste Nullspannungskomponente derart ermittelt, dass eine Welligkeit einer Blindleistungsaufnahme des Direktumrichters aus einem den Direktumrichter speisenden Drehstromnetz minimiert wird oder einen vorbestimmten Wert annimmt. Diese Ausgestaltung ist alternativ oder zusätzlich zu den oben bereits genannten Ausgestaltungen realisierbar.
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Das Optimierungskriterium kann nach Bedarf bestimmt sein. Es kann beispielsweise derart bestimmt sein, dass Netzharmonische reduziert werden, Blindleistung reduziert wird und/oder Flicker reduziert wird.
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Es ist möglich, dass das Optimierungskriterium der Steuereinrichtung fest vorgegeben ist. Vorzugsweise jedoch nimmt die Steuereinrichtung das Optimierungskriterium von außen entgegen. Dadurch ist ein besonders flexibler Betrieb des erfindungsgemäßen Direktumrichters möglich.
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In der Regel ist die Steuereinrichtung als programmierbare Einrichtung ausgebildet. Die Aufgabe wird daher weiterhin entsprechend Anspruch 11 durch ein Steuerprogramm für eine programmierbare Steuereinrichtung eines erfindungsgemäßen Direktumrichters gelöst, wobei das Steuerprogramm Maschinencode umfasst, wobei die Ausführung des Maschinencodes bewirkt, dass der Direktumrichter erfindungsgemäß ausgebildet ist. Das Steuerprogramm kann insbesondere auf einem Datenträger – beispielsweise einem USB-Memorystick, einer SD-Speicherkarte oder einem internen Speicher der Steuereinrichtung – in maschinenlesbarer Form gespeichert sein.
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Der Begriff „programmierbare Einrichtung“ kann im Sinne einer prozessorgesteuerten Einrichtung, deren Prozessor das Steuerprogramm sequenziell abarbeitet, zu verstehen sein. Der Begriff „programmierbare Einrichtung“ ist jedoch nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt. Er umfasst ebenso eine Einrichtung, die – zusätzlich zu einem Prozessor oder alternativ zu einem Prozessor – programmierbare Logikbausteine wie beispielsweise FPGAs, PLAs und dergleichen mehr umfasst. Ebenso ist der Begriff „Steuerprogramm“ nicht nur im Sinne eines sequenziell abgearbeiteten Programms zu verstehen. Vielmehr kann der Begriff „Steuerprogramm“ – zusätzlich oder alternativ zu einem sequenziell abarbeitbaren Programmcode – auch entsprechende Kodierungen für programmierbare Logikbausteine umfassen.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:
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1 bis 3 verschiedene mögliche Ausgestaltungen eines Direktumrichters und einer elektrischen Drehstrommaschine,
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4 bis 6 verschiedene mögliche Ausgestaltungen von Stromrichtern und
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7 und 8 Ablaufdiagramme.
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Gemäß 1 weist eine Drehstrommaschine 1 eine erste Wicklungsgruppe 2 auf. Die erste Wicklungsgruppe 2 weist – entsprechend der Anzahl an Phasen der Drehstrommaschine 1 – eine Anzahl an ersten Wicklungen 3 auf. In der Regel ist die Drehstrommaschine 1 dreiphasig ausgebildet. In diesem Fall sind entsprechend der Darstellung in 1 drei erste Wicklungen 3 vorhanden. Die ersten Wicklungen 3 der ersten Wicklungsgruppe 2 sind gemäß 1 in einer Sternschaltung miteinander verschaltet. Sie weisen also einen gemeinsamen ersten Sternpunkt 15 auf. Alternativ könnten die ersten Wicklungen 3 in einer Dreieckschaltung miteinander verschaltet sein.
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Die Drehstrommaschine 1 wird über einen Direktumrichter 4 an ein Drehstromnetz 5 angeschaltet. Im Regelfall wirkt die Drehstrommaschine 1 motorisch. Prinzipiell ist jedoch auch ein umgekehrter Energiefluss von der Drehstrommaschine 1 in das Drehstromnetz 5 möglich. In diesem Fall wirkt die Drehstrommaschine 1 als Generator.
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Der Direktumrichter 4 weist in der Ausgestaltung gemäß 1 eine einzige Umrichtergruppe 6 auf, nachfolgend als erste Umrichtergruppe 6 bezeichnet. Die erste Umrichtergruppe 6 weist eine Anzahl an ersten Stromrichtern 7 auf. Die Anzahl an ersten Stromrichtern 7 entspricht der Anzahl an Phasen der ersten Wicklungsgruppe 2. Im Regelfall – d.h. bei einer dreiphasigen Drehstrommaschine 1 – sind also drei erste Stromrichter 7 vorhanden. Jeder erste Stromrichter 7 ist mindestens als bipolare B6-Gruppe ausgebildet. Der Begriff „bipolare B6-Gruppe“ wird später in Verbindung mit den 4 bis 6 näher erläutert werden. Jeder der ersten Stromrichter 7 der ersten Umrichtergruppe 6 ist gemäß 1 mit je einer der ersten Wicklungen 3 der ersten Wicklungsgruppe 2 verbunden. Weiterhin weisen die ersten Stromrichter 7 einen gemeinsamen ersten Sternpunkt 8 auf. Die ersten Stromrichter 7 sind über jeweils einen eigenen Drehstromtransformator 9 mit dem Drehstromnetz 5 verbunden. Die Drehstromtransformatoren 9 weisen bei der Ausgestaltung gemäß 1 eine untereinander gleiche Phasenlage auf.
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Die ersten Stromrichter 7 sind netzgeführt. Der Begriff „netzgeführt“ hat für den Fachmann eine klar umrissene Bedeutung. Er bedeutet, dass (in 1 nicht dargestellte) Schaltventile des jeweiligen Stromrichters 7 zwar aktiv gezündet werden können, aber nicht aktiv gelöscht werden können. Das Löschen erfolgt stattdessen automatisch beim Nulldurchgang der über dem jeweiligen Schaltventil abfallenden Spannung. Dies steht im Gegensatz zu Stromrichtern, die nicht nur gezündet, sondern auch wieder aktiv gelöscht werden können. Beispiele derartiger Stromrichter sind GTOs und IGBTs.
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Der Direktumrichter 4 weist weiterhin eine Steuereinrichtung 10 auf. Die Steuereinrichtung 10 steuert die ersten Stromrichter 7 der ersten Umrichtergruppe 6 gemeinsam. Die Steuereinrichtung 10 kann in Hardware aufgebaut sein. Oftmals ist die Steuereinrichtung 10 jedoch als programmierbare Steuereinrichtung ausgebildet. Falls die Steuereinrichtung 10 als programmierbare Steuereinrichtung ausgebildet ist, ist die Steuereinrichtung 10 mit einem Steuerprogramm 11 programmiert. Das Steuerprogramm 11 umfasst Maschinencode 12. Die Ausführung des Maschinencodes 12 bewirkt und bestimmt den Betrieb des Direktumrichters 4. Das Steuerprogramm 11 ist zumindest innerhalb der Steuereinrichtung 10 auf einem Datenträger 13 gespeichert. Es kann zusätzlich auch außerhalb der Steuereinrichtung 10 auf einem (weiteren) Datenträger 14 gespeichert sein. Der Betrieb und die Wirkungsweise der Steuereinrichtung 10 werden später in Verbindung mit 7 näher erläutert werden.
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Die Ausgestaltung gemäß 2 baut auf der Ausgestaltung von 1 auf. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der Ausgestaltung gemäß 2 die Drehstrommaschine 1 zusätzlich zur ersten Wicklungsgruppe 2 eine zweite Wicklungsgruppe 16 mit zweiten Wicklungen 17 aufweist. Die Anzahl an zweiten Wicklungen 17 ist gleich der Anzahl an ersten Wicklungen 3. Die zweiten Wicklungen 17 der zweiten Wicklungsgruppe 16 sind untereinander auf die gleiche Weise miteinander verschaltet wie die ersten Wicklungen 3 der ersten Wicklungsgruppe 2. Die zweite Wicklungsgruppe 16 kann relativ zu der ersten Wicklungsgruppe 2 eine Phasenlage φ1 von 0°, +30°, –30° oder 180° aufweisen.
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Bei der Ausgestaltung gemäß 2 weist der Direktumrichter 4 weiterhin zusätzlich zur ersten Umrichtergruppe 6 eine zweite Umrichtergruppe 18 auf. Die zweite Umrichtergruppe 18 weist eine Anzahl an zweiten Stromrichtern 19 auf. Die zweiten Stromrichter 19 sind analog zu den ersten Stromrichtern 7 netzgeführt. Die Anzahl an zweiten Stromrichtern 19 entspricht der Anzahl an Phasen der zweiten Wicklungsgruppe 16. Jeder zweite Stromrichter 19 ist – analog zu den ersten Stromrichtern 7 – mindestens als bipolare B6-Gruppe ausgebildet. Jeder der zweiten Stromrichter 19 der zweiten Umrichtergruppe 18 ist gemäß 2 mit je einer der zweiten Wicklungen 17 der zweiten Wicklungsgruppe 16 verbunden. Weiterhin weisen die zweiten Stromrichter 19 einen gemeinsamen zweiten Sternpunkt 20 auf. Die zweiten Stromrichter 19 sind – analog zu den ersten Stromrichtern 7 – über jeweils einen eigenen Drehstromtransformator 21 mit dem Drehstromnetz 5 verbunden. Die Drehstromtransformatoren 21 weisen bei der Ausgestaltung gemäß 2 eine untereinander gleiche Phasenlage auf. Ihre Phasenlage kann gleich der Phasenlage der Drehstromtransformatoren 9 sein. Alternativ kann die Phasenlage der Drehstromtransformatoren 21 von der Phasenlage der Drehstromtransformatoren 9 abweichen. Insbesondere kann ein Phasenversatz φ2 von 30° elektrisch bestehen.
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Auch die Ausgestaltung gemäß 3 baut auf der Ausgestaltung von 1 auf. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei der Ausgestaltung gemäß 2 die erste Wicklungsgruppe 2 in Form einer sogenannten offenen Schaltung betrieben wird. Es sind daher auch bei der Ausgestaltung gemäß 3 die erste Umrichtergruppe 6 und die zweite Umrichtergruppe 18 mit ihren jeweiligen Stromrichtern 7, 19 vorhanden. Jede erste Wicklung 3 der ersten Wicklungsgruppe 2 weist zwei Enden auf. Je eines der Enden jeder ersten Wicklung 3 ist mit einem der ersten Stromrichter 7 oder einem der zweiten Stromrichter 19 verbunden.
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Die Umrichtergruppen 6, 18 der Ausgestaltung gemäß 3 sind untereinander identisch aufgebaut. Ihr jeweiliger Aufbau entspricht dem der obenstehend in Verbindung mit 1 erläuterten ersten Umrichtergruppe 6. Die Drehstromtransformatoren 9 weisen innerhalb der jeweiligen ersten Umrichtergruppe 6 dieselbe Phasenlage auf. Zwischen der ersten Umrichtergruppe 6 und der zweiten Umrichtergruppe 18 kann alternativ dieselbe Phasenlage oder ein Phasenversatz φ2 von 30° bestehen.
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Die Ausgestaltung gemäß 3 ist prinzipiell auch bei einer Drehstrommaschine 1 realisierbar, die zusätzlich zur ersten Wicklungsgruppe 2 eine zweite Wicklungsgruppe 16 aufweist. In diesem Fall wäre die in 3 dargestellte Anordnung an ersten und zweiten Umrichtergruppen 6, 18 zu verdoppeln.
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Der wesentliche Unterschied zwischen den Ausgestaltungen gemäß 2 und 3 besteht somit darin, dass bei der Ausgestaltung gemäß 2 die Wicklungsgruppe 16 der Drehstrommaschine 1, mit der die zweiten Stromrichter 19 verbunden sind, eine von der ersten Wicklungsgruppe 2 verschiedene, weitere Wicklungsgruppe 16 der Drehstrommaschine 1 ist. Bei der Ausgestaltung gemäß 3 hingegen ist die Wicklungsgruppe 2 der Drehstrommaschine 1, mit der die zweiten Stromrichter 19 verbunden sind, mit der ersten Wicklungsgruppe 2 identisch. Auch bei der Ausgestaltung gemäß 2 entspricht die Anzahl an Phasen der zweiten Wicklungsgruppe 16 jedoch der Anzahl an Phasen der ersten Wicklungsgruppe 2.
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4 zeigt einen möglichen Aufbau eines Stromrichters 7, 19. Gemäß 4 ist der Stromrichter 7, 19 als bipolare B6-Gruppe 22 ausgebildet. Die bipolare B6-Gruppe 22 weist zwei unipolare B6-Gruppen 23 auf, die über den jeweiligen Transformator 9, 21 mit dem (mindestens dreiphasigen) Drehstromnetz 5 verbunden sind. Jede der beiden unipolaren B6-Gruppen 23 weist pro Phase des Drehstromnetzes 5 jeweils zwei Thyristoren 24 auf. Jeder der beiden unipolaren B6-Gruppen 23 kann im Gleichrichterbetrieb, das heißt bei der Entnahme von Energie aus dem Drehstromnetz 5 über die eine der beiden unipolaren B6-Gruppen 23 bei gleichzeitiger Inaktivität der jeweils anderen unipolaren B6-Gruppe 23, eine Gleichrichtung der Spannung des Drehstromnetzes 5 mit 6pulsiger Netzrückwirkung bewirken. Die beiden unipolaren B6-Gruppen 23 sind antiparallel zueinander geschaltet und bilden zusammen die bipolare B6-Gruppe 22. Der Aufbau von 4 ist Fachleuten allgemein bekannt.
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5 zeigt einen möglichen alternativen Aufbau eines Stromrichters 7, 19, der als bipolare B6-Gruppe 22 ausgebildet ist. Die Wirkungsweise des Stromrichters 7, 19 von 5 ist funktional völlig gleichwertig zu der bipolaren B6-Gruppe 22 von 4. Gemäß 5 weist die bipolare B6-Gruppe 22 pro Phase des Drehstromnetzes 5 jeweils zwei Schaltelemente 25 auf. Jedes Schaltelement 25 besteht aus zwei antiparallel zueinander angeordneten Thyristoren 23. Auch der Aufbau von 5 ist Fachleuten allgemein bekannt.
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Die beiden obenstehend in Verbindung mit den 4 und 5 erläuterten Ausgestaltungen einer bipolaren B6-Gruppe 22 stellen die weitaus häufigsten Realisierungen dar. Prinzipiell sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich und denkbar. Entscheidend ist die obenstehend in Verbindung mit 4 erläuterte Funktionalität.
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Die Ausgestaltung der Stromrichter 7, 19 als bipolare B6-Gruppen 22 stellt einen Minimalausbau dar. Alternativ können die Stromrichter 7, 19 mehrere derartige bipolare B6-Gruppen 22 aufweisen, wobei die bipolaren B6-Gruppen 22 des jeweiligen Stromrichters 7, 19 in Reihe geschaltet sind. 6 zeigt – rein beispielhaft – eine Reihenschaltung von zwei bipolaren B6-Gruppen 22. Analoge Ausgestaltungen sind auch bei einer Reihenschaltung von mehr als zwei bipolaren B6-Gruppen 22 möglich, beispielsweise bei einer Reihenschaltung von drei oder vier bipolaren B6-Gruppen 22.
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Gemäß 6 sind die bipolaren B6-Gruppen 22 über je einen eigenen Drehstromtransformator 9, 21 mit dem Drehstromnetz 5 verbunden. Innerhalb des jeweiligen Stromrichters 7, 19 können die Drehstromtransformatoren 9, 21 die gleiche Phasenlage aufweisen. Alternativ können die Drehstromtransformatoren 9, 21 einen Phasenversatz φ3 von beispielsweise 30° elektrisch im Falle von zwei bipolaren B6-Gruppen 22 bzw. allgemein einen Phasenversatz φ3 von 60°/n aufweisen, wobei n die Anzahl von in Reihe geschalteten bipolaren B6-Gruppen 22 des jeweiligen Stromrichters 7, 19 ist. Derartige Ausgestaltungen sind Fachleuten – je nach Anzahl an bipolaren B6-Gruppen 22 als 12pulsige, 18pulsige, 24pulsige usw. Umrichter bekannt.
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Nachfolgend werden in Verbindung mit 7 und später auch 8 der Betrieb der Steuereinrichtung 10 und damit auch der Betrieb des Direktumrichters 4 erläutert. Der in Verbindung mit 7 erläuterte Betrieb der Steuereinrichtung 10 gilt für eine Ausgestaltung des Direktumrichters 4 gemäß 1. Die Ausführungen zu 8 gelten für die Ausgestaltungen des Direktumrichters gemäß den 2 und 3. Die Ausführungen zu den 7 und 8 gelten jedoch unabhängig davon, ob die Stromrichter 7, 19 gemäß 4, gemäß 5 oder gemäß 6 ausgebildet sind.
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Gemäß 7 nimmt die Steuereinrichtung 10 in einem Schritt S1 eine Sollansteuerung S* entgegen. Weiterhin ermittelt die Steuereinrichtung 10 gemäß 2 in einem Schritt S2 zumindest für manche Sollansteuerungen S* anhand eines Optimierungskriteriums OK eine erste Nullspannungskomponente N1. Die erste Nullspannungskomponente N1 kann von der Steuereinrichtung 10 alternativ statisch oder dynamisch ermittelt werden. In einem Schritt S3 ermittelt die Steuereinrichtung 10 anhand der Sollansteuerung S* jeweilige erste Kommutierungssignale K1 für die ersten Stromrichter 7. Die Steuereinrichtung 10 berücksichtigt bei der Ermittlung der ersten Kommutierungssignale K1 die erste Nullspannungskomponente N1. Die im Schritt S3 ermittelten ersten Kommutierungssignale K1 übermittelt die Steuereinrichtung 10 in einem Schritt S4 (zeitrichtig) an die ersten Stromrichter 7.
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Die erste Nullspannungskomponente N1 kann in dem Fall, dass die ersten Wicklungen 3 der ersten Wicklungsgruppe 2 entsprechend der Darstellung in 1 in einer Sternschaltung angeordnet sind, auf einen (tatsächlichen) ersten Sternpunkt 15 der ersten Wicklungsgruppe 2 bezogen sein. In dem Fall, dass die ersten Wicklungen 3 der ersten Wicklungsgruppe 2 in einer Dreieckschaltung angeordnet sind, kann die erste Nullspannungskomponente N1 auf einen virtuellen ersten Sternpunkt der ersten Wicklungsgruppe 2 bezogen sein. Die erste Nullspannungskomponente N1 kann in diesem Fall beispielsweise durch Mittelwertbildung der an den Ecken der Dreieckschaltung zwischen den ersten Wicklungen 3 der ersten Wicklungsgruppe 2 anstehenden Spannungen ermittelt werden. In jedem Fall und damit insbesondere auch im Falle einer offenen Schaltung (siehe 3) kann die erste Nullspannungskomponente N1 durch den Mittelwert der Spannungen U, welche die ersten Stromrichter 7 an die ersten Wicklungen 3 der ersten Wicklungsgruppe 2 schalten, ermittelt werden.
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Die Art und Weise, auf welche die Steuereinrichtung 10 die erste Nullspannungskomponente N1 ermittelt, kann nach Bedarf bestimmt sein. Vorzugsweise ermittelt die Steuereinrichtung 10 die erste Nullspannungskomponente N1 derart, dass innerhalb der den gemeinsamen ersten Sternpunkt 8 aufweisenden ersten Umrichtergruppe 6 einer der ersten Stromrichter 7 möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird. Der erste Stromrichter 7, der möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird kann alternativ
- – entweder derjenige erste Stromrichter 7 sein, bei dem der Betrag des an die Drehstrommaschine 1 abgegebenen Stromes I am größten ist,
- – oder derjenige erste Stromrichter 7 sein, bei dem der an die Drehstrommaschine 1 abgegebene Strom I und/oder die an die Drehstrommaschine 1 angelegte Spannung U am positivsten ist,
- – oder derjenige erste Stromrichter 7 sein, bei dem der an die Drehstrommaschine 1 abgegebene Strom I und/oder die an die Drehstrommaschine 1 angelegte Spannung U am negativsten ist.
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Weiterhin kann die Steuereinrichtung 10 die erste Nullspannungskomponente N1 derart ermitteln, dass eine Welligkeit einer Blindleistungsaufnahme des Direktumrichters 4 aus dem Drehstromnetz 5 minimiert wird oder einen vorbestimmten Wert annimmt. Diese Optimierung kann alternativ oder zusätzlich zu den oben genannten Kriterien angewendet werden. Es ist weiterhin möglich, das Optimierungskriterium OK nach Bedarf zu bestimmen. Beispielsweise kann das Optimierungskriterium OK derart bestimmt sein, dass Netzharmonische reduziert wird, werden, dass Blindleistung reduziert wird und/oder das Flicker reduziert wird. Gegebenenfalls kann auch eine (gewichtete oder ungewichtete) Mittelwertbildung erfolgen.
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Falls die zweite Umrichtergruppe 18 mit ihren zweiten Stromrichtern 19 vorhanden ist, ist die Vorgehensweise von 7 gemäß 8 modifiziert. In diesem Fall sind zusätzlich zu den Schritten S1 bis S4 Schritte S6 und S7 vorhanden. Die Schritte S6 und S7 sind gemäß 8 den Schritten S1 bis S4 nachgeordnet. Dies ist jedoch von untergeordneter Bedeutung. Im Schritt S6 ermittelt die Steuereinrichtung 10 anhand der Sollansteuerung S* jeweilige zweite Kommutierungssignale K2 für die zweiten Stromrichter 19. Die im Schritt S6 ermittelten zweiten Kommutierungssignale K2 übermittelt die Steuereinrichtung 10 im Schritt S7 (zeitrichtig) an die zweiten Stromrichter 19.
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Vorzugsweise ist im Rahmen der Vorgehensweise von 8 weiterhin ein Schritt S8 vorhanden. Falls der Schritt S8 vorhanden ist, ist er dem Schritt S6 vorgeordnet. Im Schritt S8 ermittelt die Steuereinrichtung 10 für diejenigen Sollansteuerungen S*, bei denen sie die erste Nullspannungskomponente N1 ermittelt, anhand des Optimierungskriteriums OK eine zweite Nullspannungskomponente N2. Die zweite Nullspannungskomponente N2 wird in analoger Weise ermittelt wie die erste Nullspannungskomponente N1. In diesem Fall berücksichtigt die Steuereinrichtung 10 bei der Ermittlung der zweiten Kommutierungssignale K2 die zweite Nullspannungskomponente N2.
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Analog zur Art und Weise, auf welche die Steuereinrichtung 10 die erste Nullspannungskomponente N1 ermittelt, kann auch die zweite Nullspannungskomponente N2 von der Steuereinrichtung 10 nach Bedarf bestimmt werden. Vorzugsweise ermittelt die Steuereinrichtung 10 die zweite Nullspannungskomponente N2 derart, dass innerhalb der den gemeinsamen zweiten Sternpunkt 20 aufweisenden zweiten Umrichtergruppe 18 einer der zweiten Stromrichter 19 möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird. Dieser zweiten Stromrichter 19 kann – analog zur ersten Umrichtergruppe 6 – alternativ
- – entweder derjenige zweite Stromrichter 19 sein, bei dem der Betrag des an die Drehstrommaschine 1 abgegebenen Stromes I am größten ist,
- – oder derjenige zweite Stromrichter 19 sein, bei dem der an die Drehstrommaschine 1 abgegebene Strom I und/oder die an die Drehstrommaschine 1 angelegte Spannung U am positivsten ist,
- – oder derjenige zweite Stromrichter 19 sein, bei dem der an die Drehstrommaschine 1 abgegebene Strom I und/oder die an die Drehstrommaschine 1 angelegte Spannung U am negativsten ist.
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Auch hier kann alternativ oder zusätzlich die Optimierung derart erfolgen, dass eine Welligkeit einer Blindleistungsaufnahme des Direktumrichters 4 aus dem Drehstromnetz 5 minimiert wird oder einen vorbestimmten Wert annimmt. Diese Optimierung kann wie zuvor alternativ oder zusätzlich zu den oben genannten Kriterien angewendet werden.
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Prinzipiell können die erste und die zweite Nullspannungskomponente N1, N2 von der Steuereinrichtung 10 unabhängig voneinander ermittelt werden. Oftmals ermittelt die Steuereinrichtung 10 die zweite Nullspannungskomponente N2 jedoch in Abhängigkeit von der ersten Nullspannungskomponente N1. Insbesondere ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 10 die Ermittlung der ersten Nullspannungskomponente N1 und die Ermittlung der zweiten Nullspannungskomponente N2 wie folgt aufeinander abstimmt:
- – Die erste Nullspannungskomponente N1 wird derart ermittelt, dass innerhalb der den gemeinsamen ersten Sternpunkt 8 aufweisenden ersten Umrichtergruppe 6 derjenige erste Stromrichter 7, bei dem der an die Drehstrommaschine 1 abgegebene Strom I und/oder die an die Drehstrommaschine 1 angelegte Spannung U am positivsten ist, möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird.
- – Die zweite Nullspannungskomponente N2 wird derart ermittelt, dass innerhalb der den gemeinsamen zweiten Sternpunkt 20 aufweisenden zweiten Umrichtergruppe 18 derjenige zweite Stromrichter 19, bei dem der an die Drehstrommaschine 1 abgegebene Strom I und/oder die an die Drehstrommaschine 1 angelegte Spannung U am negativsten ist, möglichst nahe an der Gleichrichtergrenze betrieben wird.
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Insbesondere ist es oftmals möglich, dass die zweite Nullspannungskomponente N2 denselben Betrag wie die erste Nullspannungskomponente N1 aufweist. Oftmals gilt also entweder die Beziehung N2 = N1 oder es gilt die Beziehung N2 = –N1.
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Es ist möglich, dass das Optimierungskriterium OK der Steuereinrichtung 10 fest vorgegeben ist. Vorzugsweise jedoch wird das Optimierungskriterium OK entsprechend der Darstellung in den 1 bis 3 der Steuereinrichtung 10 von außen vorgegeben, beispielsweise von einem nicht dargestellten Bediener.
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Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung also folgenden Sachverhalt:
Ein Direktumrichter 4 weist eine Anzahl an ersten Umrichtergruppen 6 auf, die ihrerseits jeweils eine Anzahl an netzgeführten ersten Stromrichtern 7 aufweisen. Die ersten Stromrichter 7 sind jeweils mindestens als bipolare B6-Gruppen ausgebildet und mit einer ersten Wicklungsgruppe 2 einer Drehstrommaschine 1 verbunden. Die Anzahl an ersten Stromrichtern 7 pro erster Umrichtergruppe 6 entspricht der Anzahl an Phasen der ersten Wicklungsgruppe 2. Die ersten Stromrichter 7 mindestens einer der ersten Umrichtergruppen 6 weisen einen gemeinsamen ersten Sternpunkt 8 auf. Der Direktumrichter 4 weist eine die ersten Umrichtergruppen 6 steuernde gemeinsame Steuereinrichtung 10 auf. Die Steuereinrichtung 10 nimmt eine Sollansteuerung S* entgegen und ermittelt anhand der Sollansteuerung S* für die ersten Stromrichter 7 jeweilige erste Kommutierungssignale K1. Die Steuereinrichtung 10 ermittelt zumindest für manche Sollansteuerungen S* anhand eines Optimierungskriteriums OK statisch oder dynamisch eine erste Nullspannungskomponente N1, die sie bei der Ermittlung der ersten Kommutierungssignale K1 berücksichtigt. Die ersten Kommutierungssignale K1 übermittelt die Steuereinrichtung 10 an die ersten Stromrichter 7.
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Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise der Blindleistungsbedarf deutlich reduziert werden. Im Extremfall kann eine Reduktion um bis zu 75% erzielt werden. Je nach Arbeitspunkt der Drehstrommaschine 1 und der Topologie des Direktumrichters 4 können weiterhin Netzharmonische um bis zu 75% reduziert werden. Dennoch können die üblichen Vorteile des Direktumrichters 4 beibehalten werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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