DE102016103290A1

DE102016103290A1 - Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors an einem Gleichspannungsnetz, Wechselrichter für das Verfahren, System mit Wechselrichter und Verfahren zur Bereitstellung eines Drehstrommotors

Info

Publication number: DE102016103290A1
Application number: DE102016103290.5A
Authority: DE
Inventors: Karl-Peter Simon; Guido Eiffler; Walter Trümpler
Original assignee: Bauer Gear Motor GmbH
Current assignee: Bauer Gear Motor GmbH
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-08-24
Also published as: WO2017144697A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors an einem Gleichspannungsnetz. Das Verfahren umfasst die Erzeugung eines Drehstromsystems mit drei gepulsten Spannungen (UR0, US0, UT0) mit phasenverschobenen Pulsmustern, wobei Halbwellen einer Grundwelle von einer ersten bis dritten verketteten Ausgansspannung (URS, UST, UTR) zumindest einen Hauptpuls (110) aufweisen und wobei eine gemeinsame Grundfrequenz der verketteten Ausgangsspannungen größer als 60 Hz und kleiner oder gleich 150 Hz ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors, insbesondere zum Bereitstellen eines Arbeitsmomentes durch einen Drehstrommotor, an einem Gleichspannungsnetz. Ferner betrifft die Erfindung einen Wechselrichter zur Durchführung des Verfahrens und ein System mit einem solchen Wechselrichter, einem Drehstrommotor und einem optionalen Getriebe. Ebenso betrifft die Erfindung ein System mit einem solchen Wechselrichter und einer Mehrzahl von Drehstrommotoren und Getrieben.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen von Wechselrichtern bekannt. Eine beispielhafte vereinfachte Wechselrichterschaltung aus dem Stand der Technik ist in 4 dargestellt.
Anwendungen von Wechselrichtern finden sich beispielsweise in Vorrichtungen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), welche eingesetzt werden, um bei Störungen im Stromnetz die Versorgung kritischer elektrischer Lasten sicherzustellen. Auch Photovoltaikanlagen weisen regelmäßig Wechselrichter auf, um eine Gleichspannung produziert von Solarpaneelen in eine Wechselspannung umzurichten.
Auch Drehstrommotoren sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Drehstrommotoren können in Asynchronmotoren und Synchronmotoren unterteilt werden. Ein Drehstromasynchronmotor besteht aus einem Gehäuse, einem Stator und einem Rotor.
Asynchronmotoren werden seit vielen Jahren zu den unterschiedlichsten Zwecken eingesetzt. Verschiedene Vorteile führen dazu, dass hierbei häufig auf Drehstromasynchronmotoren mit Käfigläufer zurückgegriffen wird.
Der Stator umfasst im Wesentlichen ein Ständerblechpaket und Ständerwicklungen. Das Ständerblechpaket weist eine Vielzahl an Nuten auf, innerhalb derer die Ständerwicklungen angeordnet sind. Die Ständerwicklungen können in einen ersten, einen zweiten und einen dritten Wicklungsstrang unterteilt werden.
Synchronmotoren weisen im Stator einen grundsätzlich vergleichbaren Aufbau wie die Asynchronmotoren auf. Ein Betrieb eines Drehstrommotors an einem durch einen Frequenzumrichter erzeugten Drehstrom ist vorteilhaft, weil so beispielsweise weitreichende Möglichkeiten der Steuerung und/oder Regelung von Drehzahl und Arbeitsmoment genutzt werden können. Doch eine solche Umrichterspeisung bedingt gegenüber einer echt sinusförmigen Netzspeisung neben den beschriebenen Vorteilen auch Nachteile, da ein Umrichter eine Sinusspannung durch eine Pulsweitenmodulation regelmäßig nur nachbildet. Es kommt zu höheren Verlusten und einer stärkeren Wärmeentwicklung in den Statorwicklungen und im Rotor. Pendelmomente wirken sich möglicherweise nachteilig auf die Arbeitslast aus. Sofern die Schaltfrequenzen des Umrichters unterhalb einer Hörschwelle von ca. 16 kHz liegen, kann eine Geräuschentwicklung angeregt durch die hochfrequenten Oberwellen als unangenehm empfunden werden. Induzierte Wellenspannungen und Lagerströme belasten den Umrichter-gespeisten Drehstrommotor zusätzlich. Induzierte Spannungsspitzen belasten eine Wicklungsisolation der Ständerwicklungen.
Bei der Entwicklung von Umrichtern für den Betrieb von Drehstrommotoren wird deshalb versucht, die Sinusspannung möglichst gut nachzubilden. Dies geschieht beispielsweise durch eine schnelle Taktung der Pulsweitenmodulation im Bereich von ca. 4000 Hz bis 18000 Hz und/oder durch zusätzliche Schaltungsanordnungen, die der Glättung der Ausgangspannung dienen. Beide Vorgehen sind nachteilig. Die schnelle Taktung der Pulsweitenmodulation führt zu erhöhten Schaltverlusten in den Halbleitern im Leistungsteil des Umrichters. Die Glättung der Ausgangspannung verkompliziert die Schaltungsanordnung, ist ebenfalls abhängig von einer Leitungslänge zwischen Wechselrichter und Drehstrommotor und erfüllt ihren Zweck nur in einem engen Lastbereich.
Gleichspannungsnetze finden zunehmende Verbreitung. So werden bei Motion Control Anwendungen Wechselrichter mit einer zentralen Gleichspannungsversorgung eingesetzt, um die Bewegungssteuerung von Maschinen und Anlagen mit Servo-Antrieben flexibel zu gestalten. Auch gibt es Bestrebungen zukünftig zentrale Gleichspannungsversorgungskonzepte auf Fabrikebene einzuführen, wie in 8 schematisch dargestellt, um den zunehmenden Einsatz von Frequenzumrichtern zu optimieren. Dadurch besteht zusätzlich die Möglichkeit dezentrale Fabriknetze mit Energiespeichern einfach zu stabilisieren. Weiterhin werden mobile Arbeitsmaschinen, Fahrzeuge und Erntemaschinen mit Elektroantrieben ausgerüstet. Auch bei diesen Anwendungen werden Gleichspannungsversorgungsnetze aufgebaut. Vor allem führt hierbei eine zunehmende politische Regulierung zu einem Bedarf nach energieeffizienten Antriebssystemen. Viele dieser Anwendungsfälle würden von einem erfindungsgemäßen Betrieb von Drehstrommotoren profitieren.
BESCHREIBUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, durch einen Drehstrommotor, welcher an einem Gleichspannungsnetz betrieben werden kann, ein Arbeitsmoment mit einer Arbeitsdrehzahl bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen an einem Gleichspannungsnetz betriebenen Wechselrichter bereitzustellen, der es ermöglicht einen Drehstrommotor an diesem Gleichspannungsnetz zu betreiben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Energieeffizienz eines Systems bestehend aus einem Wechselrichter, einem oder mehreren Drehstrommotoren und zugehörigen optionalen Getrieben zu verbessern und Nachteile bestehender Verfahren zum Betrieb eines Drehstrommotors, insbesondere an einem Gleichspannungsnetz, zu minimieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das die Erzeugung eines Drehstromsystems umfasst. Das Drehstromsystem besteht aus einer ersten gepulsten Spannung UR0 zwischen einem ersten Anschlusspunkt R und einem gemeinsamen Referenzpotenzial 0, einer zweiten gepulsten Spannung US0 zwischen dem Referenzpotenzial 0 und einem zweiten Anschlusspunkt S und einer dritten gepulsten Spannung UT0 zwischen einem dritten Anschlusspunkt T und dem Referenzpotenzial 0.
Die drei gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 weisen ein identisches aber phasenverschobenes Pulsmuster mit steigenden Schaltflanken und fallenden Schaltflanken auf. Die zweite gepulste Spannung US0 ist gegenüber der ersten gepulsten Spannung UR0 um 120° phasenverschoben. Die dritte gepulste Spannung UT0 ist gegenüber der zweiten gepulsten Spannung US0 um 120° und gegenüber der ersten gepulsten Spannung UR0 um 240° phasenverschoben. Eine Phasenverschiebung um 1° bezeichnet dabei einen zeitlichen Versatz der Pulsmuster von einem Dreihundertsechzigstel einer gemeinsamen Grundperiodendauer TG. Anders ausgedrückt entsprechen 360° einer vollen Periode mit der Grundperiodendauer TG. Weiterhin sind eine erste verkettete Ausgangspannung URS zwischen den Potenzialen an dem ersten Anschlusspunkt R und dem zweiten Anschlusspunkt S, eine zweite verkettete Ausgangspannung UST zwischen den Potenzialen an dem zweiten Anschlusspunkt S und dem dritten Anschlusspunkt T und eine dritte verkettete Ausgangsspannung UTR zwischen den Potenzialen an dem dritten Anschlusspunkt T und dem ersten Anschlusspunkt R definiert. Somit weist der Wechselrichter drei Strompfade auf, wobei der erste Strompfad den ersten Anschlusspunkt R, der zweite Strompfad den zweiten Anschlusspunkt S und der dritte Strompfad den dritten Anschlusspunkt T aufweist.
Jeder Wicklungsstrang des Drehstrommotors weist ein erstes und ein zweites Strangende auf. Wird ein Drehstrommotor in Sternschaltung an den Wechselrichter angeschlossen, so verbindet man jeweils die ersten Strangenden der Wicklungsstränge des Stators mit jeweils einem der Anschlusspunkte R, S und T, während die zweiten Strangenden der drei Wicklungsstränge in einem Knotenpunkt miteinander verbunden werden. Wird ein Drehstrommotor in Dreieckschaltung an den Wechselrichter angeschlossen, so verbindet man den ersten Wicklungsstrang an seinen zwei Strangenden mit dem ersten Anschlusspunkt R und dem zweiten Anschlusspunkt S, den zweiten Wicklungsstrang an seinen zwei Strangenden mit dem zweiten Anschlusspunkt S und dem dritten Anschlusspunkt T und den dritten Wicklungsstrang an seinen zwei Strangenden mit dem dritten Anschlusspunkt T und dem ersten Anschlusspunkt R.
Die verketteten Ausgangsspannungen USR, UST und UTR weisen ebenfalls die gemeinsame Grundperiodendauer TG auf, in welcher sich ein Pulsmuster in einer ersten Halbwelle und einer zweiten Halbwelle der Ausgangspannungen mit einer Dauer von jeweils TG/2 mit einer gleichen Amplitude aber wechselnden Vorzeichen wiederholt. Die erste Halbwelle und die zweite Halbwelle bilden gemeinsam eine Grundwelle der Ausgangsspannungen USR, UST und UTR. Die Grundwelle ist dabei in allen drei Ausgangsspannungen USR, UST und UTR identisch, jedoch um jeweils 120° phasenverschoben.
Ein Kehrwert der Grundperiodendauer TG entspricht einer Grundfrequenz fG. Die Grundfrequenz fG ist dabei höher als eine Standardnetzfrequenz fST. Anders ausgedrückt ist die Grundperiodendauer TG kürzer als eine Wellenperiode der Standardnetzfrequenz fST. Die gegenüber der Standardnetzfrequenz fST erhöhte Grundfrequenz fG des Drehstromsystems führt beim Betrieb des Drehstrommotors zu einer Nenndrehzahl des Drehstrommotors, die höher liegt, als eine Nenndrehzahl des Drehstrommotors bei Netzbetrieb. Das Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors kann zu einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Leistungsausbeute bezogen auf eine Motorbaugröße führen.
Die Standardnetzfrequenz fST liegt in allen relevanten Ländern der Welt bei 50 Hz oder 60 Hz. Entsprechend liegt die Grundfrequenz fG für das erfindungsgemäße Verfahren über 60 Hz.
Jede Halbwelle der Grundwelle der Ausgangsspannungen URS, UST und UTR weist einen Hauptpuls auf. Das Referenzpotenzial ist dabei so gewählt, dass sich die Vorzeichen der ersten Halbwellen von den Vorzeichen der zweiten Halbwellen unterscheiden, wobei eine Halbwellenform der ersten und der zweiten Halbwellen davon abgesehen identisch sind.
Das erzeugte Drehstromsystem erlaubt ein verfahrensgemäßes Betreiben eines Drehstrommotors an einem Gleichspannungsnetz. Insofern werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Drehstrommotors in einem Nennarbeitsbereich an einem Gleichspannungsnetz bereitgestellt. Das Verfahren und/oder die Vorrichtung sind geeignet, Drehstrommotoren in solchen Anwendungen an einem Gleichspannungsnetz zu betreiben, in denen der Drehstrommotor bisher an dem Drehstromnetz mit Standardnetzfrequenz fST betrieben wurde. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstigen und für den Anwender leicht handhabbaren Wechselrichter zu bereitzustellen.
Bei dem Drehstrommotor kann es sich um einen Asynchronmotor oder einen Synchronmotor handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Drehstrommotor auch um einen Getriebemotor handeln.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Grundfrequenz fG der Ausgangspannungen URS, UST und UTR größer als 60 Hz sein und maximal 150 Hz betragen. Vorteilhaft kann durch das Betreiben des Drehstrommotors mit der erhöhten Grundfrequenz fG, beziehungsweise der aus der erhöhten Grundfrequenz fG resultierenden erhöhten Arbeitsdrehzahl nW, der Wirkungsgrad des Drehstrommotors im Nennarbeitsbereich erhöht werden. Eine Frequenzerhöhung, beziehungsweise eine daraus resultierende Drehzahlerhöhung, kann zu einer größeren Wellenleistung führen, während Verluste im Motor nur geringfügig steigen. Weiter vorteilhaft können das Verfahren und/oder die Vorrichtung einen für die Produktion des Drehstrommotors notwendigen Materialeinsatz reduzieren. So kann bei einem vergleichbaren Bauvolumen und gleicher Bauart eine größere Wellenleistung erzielt werden. Alternativ kann ein Motor bei gleicher Bauart und vergleichbarer Wellenleistung durch die Drehzahlerhöhung mit geringerem Materialeinsatz produziert werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Drehstrommotor mit der Grundfrequenz fG im Bereich von 65 Hz bis 130 Hz oder im Bereich von 70 Hz bis 100 Hz betrieben werden. Insbesondere Systeme bestehend aus einem Drehstrommotor und einem Getriebe (wie Getriebemotoren, welche einen Drehstrommotor und ein integriertes Getriebe aufweisen) können vorteilhaft in einem optimierten Drehzahlbereich von 1800 1/min bis 2600 1/min und beispielsweise 2000 1/min an der Motorwelle betrieben werden. Ein System bestehend aus einem vierpoligen Drehstrommotor (mit der Polpaarzahl 2) und einem Getriebe kann in einem Frequenzbereich der Grundfrequenz fG von 60 Hz bis 87 Hz und beispielsweise bei etwa 70 Hz mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden als bei einer Standardnetzfrequenz von bspw. 50 Hz oder 60 Hz. Ein System bestehend aus einem sechspoligen Drehstrommotor (mit der Polpaarzahl 3) und einem Getriebe kann in einem Frequenzbereich der Grundfrequenz fG von 90 Hz bis 130 Hz und beispielsweise bei etwa 100 Hz mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden als bei einer Standardnetzfrequenz von bspw. 50 Hz oder 60 Hz. Die sinnvoll gewählte Erhöhung der Grundfrequenz fG und damit der resultierenden Drehzahl an der Motorwelle kann von der geplanten Anwendung abhängen. Eine zu niedrig gewählte Grundfrequenz fG kann potenziell mögliche Wirkungsgradgewinne nicht ausschöpfen, während eine zu hoch gewählte Grundfrequenz fG insbesondere im Getriebe zu stark erhöhten Verlusten führen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Pulsbreite des Hauptpulses mehr als 45° und in einem Nennbetriebszustand mindestens 50° und vorteilhafterweise mindestens 60° betragen. Die Pulsbreite eines positiven Pulses beschreibt den zeitlichen Abstand zwischen einer steigenden Schaltflanke und einer fallenden Schaltflanke; die Pulsbreite eines negativen Pulses beschreibt den zeitlichen Abstand zwischen einer fallenden Schaltflanke und einer steigenden Schaltflanke. Eine große Hauptpulsbreite ist vorteilhaft um eine hohe gemittelte Spannungsamplitude bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Halbwellen der Grundwelle der Ausgangsspannungen von URS, UST und UTR mindestens einen und maximal sieben Trabantenpulspaare aufweisen. Ein Trabantenpulspaar kann aus jeweils zwei symmetrisch beabstandeten beiderseits des Hauptpulses angeordneten identischen Trabantenpulsen bestehen. Anders formuliert kann jede der Halbwellen genau einen Hauptpuls und eine gerade Anzahl von Trabantenpulsen aufweisen. Links- und rechtsseitig des Hauptpulses können gleich viele Trabanten zueinander spiegelsymmetrisch (bezogen auf die Phasenlage) angeordnet sein. Vorteilhaft können zwei bis fünf Trabantenpulspaare um den Hauptpuls angeordnet sein. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Trabantenpulsen um den Hauptpuls können die Amplituden von Oberwellen verringert werden. Dies kann sich positiv auf die Belastung des Drehstrommotors und auf die Energieeffizienz auswirken.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sollte ein Betrag einer Spannungsamplitude eines Haupt- oder Trabantenpulses zwischen seinen zwei zugehörigen Schaltflanken um nicht mehr als 15 % abfallen. Insbesondere sollte der Haupt- oder Trabantenpuls nur eine einzige steigende Schaltflanke und eine einzige fallende Schaltflanke aufweisen. Dieser Aspekt kann in positiver Weise die Schaltverluste des Wechselrichters minimieren.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Pulsbreiten der Trabantenpulse mit zunehmendem Abstand vom Hauptpuls abnehmen und Abstände zwischen zwei jeweils benachbarten Pulsen mit zunehmendem Abstand vom Hauptpuls zunehmen. Der Hauptpuls würde dabei die größte Pulsbreite aufweisen. Mit anderen Worten, besitzt der Hauptpuls vorteilhaft eine Pulsbreite, die größer ist als die aller Trabantenpulse. Dieser Aspekt kann die Ausprägung der Oberwellen verringern.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnten die Schaltflanken der gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 eine Flankensteilheit gleich oder kleiner als 2 kV/µs aufweisen. Vorteilhaft wäre, wenn die Schaltflanken der gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 eine Flankensteilheit gleich oder kleiner als 1 kV/µs aufweisen würden. Dieser Aspekt kann die Belastung beispielsweise der Wicklungsisolation durch induzierte Spannungsspitzen senken. Weiterhin können Störemissionen erheblich reduziert werden. Die erhöhte Verlustenergie pro Schaltvorgang kann wegen der erfindungsgemäß geringen Schalthäufigkeit vernachlässigt werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnten die gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 jeweils maximal 2860 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dies würde maximal 1430 Pulsen pro Sekunde mit jeweils einer steigenden und einer fallenden Schaltflanke entsprechen. Vorteilhaft könnten die gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 auch jeweils maximal 2100 Schaltflanken pro Sekunde oder 1820 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dies würde jeweils maximal 1050 Pulsen pro Sekunde oder maximal 910 Pulse pro Sekunde mit einer steigenden und einer fallenden Schaltflanke pro Puls entsprechen. Vorteilhafter Weise können die gepulsten Spannung UR0, US0 und UT0 jeweils minimal 980 Schaltflanken pro Sekunde und maximal 1540 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dieser Aspekt kann die Schaltverluste des Wechselrichters und gleichzeitig die Amplitude von Oberwellen verringern.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte zwischen zwei nebeneinanderliegenden (bzw. unmittelbar aufeinanderfolgenden) Schaltflanken der gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 ein zeitlicher Abstand von mindestens 10 µs liegen. Hierdurch kann eine Überlagerung einer Einschwingphase und einer Ausschwingphase vermieden werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte das Verfahren das sanfte Anfahren des Drehstrommotors umfassen. Handelt es sich bei dem Drehstrommotor um einen Asynchronmotor, so können die Pulsbreiten des Hauptpulses und/oder der Trabantenpulse über eine Zeitspanne tA bis zum Erreichen vorbestimmter Pulsnennbreiten gesteigert werden. Alternativ könnte der Drehstrommotor – unabhängig davon, ob es sich bei dem Drehstrommotor um einen Asynchronmotor oder einen Synchronmotor handelt – mit einem Drehstromsystem betrieben werden, bei welchem für das sanfte Anfahren die Grundfrequenz fG ausgehend von einem Minimalwert fGmin bis zum Erreichen einer vorbestimmten Grundnennfrequenz fGnenn gesteigert wird. Der Minimalwert fGmin kann vorteilhafterweise 0 Hz betragen. Ein sanftes Anfahren kann die Belastung des Drehstrommotors verringern und die Impulsbelastung des Gleichspannungsnetzes reduzieren.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte in einem Leistungsteil des Wechselrichters ein Statorstrom IS oder zumindest einer von drei Statorphasenströmen ISP gemessen und von einem Steuerteil des Wechselrichters überwacht werden. Der Statorstrom IS entspricht im Wesentlichen der Addition der drei Statorphasenströme ISP in den drei Wechselrichterzweigen.
Bei einer Überschreitung eines vorbestimmten Maximalgrenzwertes Imax durch den Statorstrom IS könnte eine Absenkung der Grundfrequenz fG stattfinden. Bei dem Maximalgrenzwert Imax kann es sich um einen Motornennstrom handeln. Hierdurch würde das Verhältnis der Erregerspannungen URS, UST und UTR zur Frequenz fG steigen. Dadurch würde sich das leistbare Arbeitsmoment erhöhen.
Beim Betrieb eines Asynchronmotors könnte die Grundfrequenz fG mit einem Korrekturwert, zugehörig zu einer Differenz zwischen Maximalgrenzwert Imax und Statorstrom IS, erhöht werden. Mit steigender Differenz würde der Korrekturwert ebenfalls steigen. Resultierend würde ein lastabhängiger Schlupf des Asynchronmotors kompensiert oder zumindest minimiert werden.
Auch kann der Drehstrommotor in einem Feldschwächbetrieb betrieben werden. Hierbei kann die Amplitude der Spannung an den Anschlusspunkten R, S und T konstant gehalten werden, während die Grundfrequenz fG gegenüber einer Motornennfrequenz fGnennM erhöht wird. Im Feldschwächbetrieb steigt die von dem Drehstrommotor abgegebene Leistung trotz einer Erhöhung der Drehzahl nicht weiter an. Ein solches Betreiben im Feldschwächbetrieb kann bei bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft sein, wie bspw. Förderbänder, Schredder oder Antriebe für Arbeitsspindeln. Arbeitsspindeln können ohne Getriebe und dafür mit einer Grundfrequenz fG auch oberhalb von 150 Hz betrieben werden.
In einem Teillastbereich, beispielsweise festgestellt bei einer Unterschreitung eines vorbestimmten Minimalgrenzwertes Imin durch den Statorstrom IS, kann eine Verringerung der Pulsbreiten des Hauptpulses und/oder der Trabantenpulse ausgelöst werden. Resultierend würde sich eine mittlere Erregerspannung absenken und der Wirkungsgrad des Drehstrommotors in einem Teillastbereich erhöhen.
Dieser Aspekt der Erfindung kann in verschiedener Hinsicht vorteilhaft sein. Die stromgeführte Regelung des Drehstrommotors kann beim Betrieb eines Asynchronmotors den Schlupf verringern oder eliminieren, kann den Drehstrommotor vor Überlast schützen und kann in einem Teillastbereich den Wirkungsgrad verbessern. Unzulässige Betriebszustände können erkannt und eine entsprechende Reaktion zum Schutz des Drehstrommotors und/oder der angetriebenen Maschine kann somit ausgelöst werden. Neben der Überwachung der Ströme im Motor können hierzu weitere Messwerte, wie beispielsweise eine Motortemperatur über Schnittstellen eines Steuerteils des Wechselrichters aufgenommen und verarbeitet werden.
Es wird ebenfalls ein Verfahren zur Auswahl eines geeigneten Drehstrommotors und eines geeigneten Getriebes bereitgestellt.
Der Drehstrommotor mit einem Drehstrommotorabtrieb könnte dabei als Auswahlkriterium eine Polpaarzahl p mit 2 ≤ p ≤ 4 und einem Nennmoment MN aufweisen. Drehstrommotoren mit vier Polen weisen eine günstige magnetische Geometrie und eine vorteilhafte Anordnung der Wicklungen auf. Drehstrommotoren mit sechs Polen können den Drehstrommotoren mit vier Polen bezüglich magnetischer Geometrie und Anordnung der Wicklungen sogar noch überlegen sein. Betrieben mit einer üblichen Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz ergeben sich bei den vier- und sechspoligen Drehstrommotoren jedoch nur geringe Drehzahlen an der Motorwelle und daraus resultierend eine schlechte Leistungsausbeute. Vorteilhaft können vier- und sechspolige Drehstrommotoren mit einer erfindungsgemäß erhöhten Grundfrequenz fG betrieben und bezüglich ihrer Baugröße besser ausgenutzt werden. Dies gilt insbesondere auch für Getriebemotoren und Systeme mit einem Motor und einem Getriebe, bei denen die Drehzahl an der Motorwelle ohnehin durch ein Getriebe herabgesetzt wird.
Das Getriebe mit einem Getriebeantrieb und einem Getriebeabtrieb könnte als Auswahlkriterium neben einer ausreichenden Belastbarkeit ein Übersetzungsverhältnis i gleich der Getriebeantriebsdrehzahl geteilt durch die Getriebeabtriebsdrehzahl (i = Getriebeantriebsdrehzahl/Getriebeabtriebsdrehzahl) aufweisen, wobei mit |i| > 1 (Betrag von des Übersetzungsverhältnisses ist größer 1) eine Untersetzung vorliegt; die Getriebeabtriebsdrehzahl also unter der Getriebeantriebsdrehzahl und ein Getriebeabtriebsmoment über einem Getriebeantriebsmoment liegt.
Drehstrommotor und Getriebe können verbunden sein. Vorteilhafterweise kann das Getriebe integral im Motorgehäuse angeordnet oder an das Motorgehäuse angeflanscht sein. Der Drehstrommotor treibt somit über seinen Motorabtrieb den Getriebeantrieb an. Der Getriebeabtrieb stellt das Arbeitsmoment MW mit Arbeitsdrehzahl nW bereit. Durch eine dezentrale Anordnung des Wechselrichters in oder an dem Drehstrommotor kann die Speiseleitungslänge der Speiseleitungen reduziert werden. Die Speiseleitungen verbinden Wechselrichter und Drehstrommotor elektrisch. Eine reduzierte Speiseleitungslänge kann sich insbesondere vorteilhaft auf elektromagnetische Emissionen auswirken. Voraussetzung für eine solche dezentrale Anordnung des Wechselrichters in oder am Drehstrommotor ist, dass der Wechseltrichter sehr kompakt aufgebaut werden kann und eine geringe Verlustleistung aufweist.
Das Drehstromsystem, mit dem der Drehstrommotor betrieben wird, würde gemäß dem vorteilhaften Aspekt der Erfindung im stationären Betrieb mit einer Grundnennfrequenz fGnenn erzeugt werden, wobei das Auswählen der Polpaarzahl p, des Nennmomentes MN, des Übersetzungsverhältnisses i und einer Grundnenndrehfrequenz fGnennD neben den genannten Aspekten der Erfindung die folgenden Bedingungen erfüllt:

– Nennmoment MN des Drehstrommotors mal Betrag des Übersetzungsverhältnisses |i| mal Getriebewirkungsgrad ηG entspricht dem Arbeitsmoment MW, sowie
– Grundnenndrehfrequenz fGnennD geteilt durch das Produkt der Polpaarzahl p mal dem Betrag des Übersetzungsverhältnisses |i| entspricht der Arbeitsdrehzahl nW. Die Grundnenndrehfrequenz ergibt sich für Asynchronmotoren aus der Grundnennfrequenz fGnenn minus Schlupf. Für Synchronmotoren ist die Grundnenndrehfrequenz fGnennD und die Grundnennfrequenz gleich.

Durch diesen Aspekt der Erfindung kann die gegenüber der Nenndrehzahl des Drehstrommotors bei Netzbetrieb erhöhte Nenndrehzahl des Drehstrommotors bei erfindungsgemäßem Betrieb durch ein betragsmäßig größeres Übersetzungsverhältnis |i| ausgeglichen und an eine gewünschte Arbeitsdrehzahl nW angepasst werden. Zusammen mit den weiteren Aspekten der Erfindung kann auf diese Weise der Wirkungsgrad des Systems bestehend aus Wechselrichter, Drehstrommotor und Getriebe erhöht werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte der Wechselrichter einen Leistungsteil und einen Steuerteil umfassen.
Der Steuerteil könnte dabei eine Recheneinheit, einen Speicher, eine analoge Schnittstelle und eine digitale Schnittstelle umfassen. Weiterhin könnte der Steuerteil geeignet sein, den Leistungsteil anzusteuern und vom Leistungsteil Signale zu empfangen.
Der Leistungsteil könnte einen ersten Wechselrichterzweig mit der gepulsten Spannung UR0, einen zweiten Wechselrichterzweig mit der gepulsten Spannung US0 und einen dritten Wechselrichterzweig mit der gepulsten Spannung UT0 enthalten. Die gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 würden an Anschlussmitteln anliegen, wobei die Anschlussmittel die Anschlusspunkte enthalten könnten. An den Anschlusspunkten könnte der Drehstrommotor angeschlossen werden.
Der Speicher könnte eine digitale Repräsentation eines oder mehrerer Pulsmuster enthalten. Die digitale Repräsentation der Pulsmuster könnte von der Recheneinheit ausgewertet und bearbeitet werden, um anschließend den Leistungsteil so anzusteuern, dass der Leistungsteil in seinen drei Wechselrichterzweigen die gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 entsprechend eines der Pulsmuster erzeugt. Die digitale Repräsentation der Pulsmuster kann beispielsweise konkrete Schaltfolgen umfassen. Die digitale Repräsentation kann beispielsweise auch eine oder mehrere Formeln und Randbedingungen umfassen, wobei die Recheneinheit mit den Formeln und Randbedingungen ein geeignetes Pulsmuster errechnen kann. Andere digitale Repräsentationen der Pulsmuster sind denkbar.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnten im Speicher Kenndaten und Betriebsdaten des Drehstrommotors und gegebenenfalls des optionalen Getriebes abgelegt sein. Die Kenn- und Betriebsdaten können unter Anderem Betriebszeiten und Lastkollektive und andere Werte einschließen um laufend eine Zustandsprognose zur bedarfsgerechten Wartung zu erstellen und bereitzuhalten. Diese Kenn- und Betriebsdaten könnte der Steuerteil des Wechselrichters über die digitale Schnittstelle, beispielsweise über einen Datenbus, an andere Geräte weitergeben und/oder in der Auswertung und/oder Bearbeitung der digitalen Repräsentation der Pulsmuster verwenden. Entsprechend kann im Speicher ein „elektronisches Typenschild“ bestehend aus einer Vielzahl von Kenndaten vorgehalten werden, welches für eine zentrale Erfassung und Verarbeitung über die digitale Schnittstelle weitergegeben werden kann.
Eine zentrale Steuerung kann die von dem Steuerteil über eine Signalverbindung übermittelten Kenn- und Betriebsdaten zentral erfassen, bearbeiten und Überwachen. Die Signalverbindung kann mittels Datenbus über die digitale Schnittstelle hergestellt werden.
Diese Aspekte der Erfindung können sich vorteilhaft auf die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auswirken.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte der Wechselrichter in oder an einem Gehäuse des Drehstrommotors angeordnet sein. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein erfindungsgemäßer Wechselrichter eine Mehrzahl von Drehstrommotoren mit dem Drehstromsystem speisen. Entsprechend werden Systeme bereitgestellt welche Drehstrommotoren gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung betreibt.
Es wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Drehstrommotors für ein System gemäß Aspekten der Erfindung bereitgestellt. Gemäß diesem Verfahren werden die Wicklungen des Drehstrommotors für ein neues, nun niedrigeres, Spannungs-Frequenzverhältnis ausgelegt. Weiterhin kann eine für die erhöhte Frequenz besser geeignete Blechqualität gewählt werden, sowie eine Neuberechnung des Lüfters auf Grundlage der nun erhöhten Drehzahl an der Motorwelle des Drehstrommotors und der veringerten Verluste im Drehstrommotor vorgenommen werden. Weiterhin kann die Eisenlänge, welche der Länge der Erstreckung des Ständerblechpaketes entlang der Rotationsachse entspricht, gegenüber einem Drehstrommotor, ausgelegt auf einen Betrieb bei einer Grundfrequenz kleiner oder gleich 60 Hz, reduziert werden. Die Reduzierung der Eisenlänge kann vorteilhaft in einem Bereich von 10 % bis 50 % liegen. Mit anderen Worten ist der Drehstrommmotor einer zweiten Bauart gegenüber einem Drehstrommotor einer ersten Bauart, der für den Betrieb in einem Bereich der Grundfrequenz von 50 Hz bis 60 Hz ausgelegt ist, in der Eisenlänge um 10 % bis 50 %, insbesondere 25 % reduziert. Analog können anstelle der Reduzierung der Eisenlänge auch andere geometrische Parameter, beispielsweise der Motordurchmesser, reduziert werden. Weitere Aspekte des Verfahrens, des Wechselrichters und der Systeme ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung gemäß den Aspekten der Erfindung.
Ein Verfahren und/oder ein Wechselrichter nach Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen kann für die Grundfrequenz fG in einem Frequenzbereich unterhalb eines ersten Umschaltfrequenz fU1 und/oder oberhalb einer zweiten Umschaltfrequenz fU2 ein Drehstromsystem mit einer konventionellen PWM umfassen. Konventionelle PWM bezeichnet dabei eine Pulsweitenmodulation nach dem Stand der Technik. Mit anderen Worten kann das Verfahren das Umschalten zwischen einer konventionellen PWM umfassen. Somit kann eine konventionelle Pulsweitenmodulation unterhalb einer ersten Umschaltfrequenz (fU1) und/oder oberhalb einer zweiten Umschaltfrequenz (fU2) verwendet werden, wobei die erste Umschaltfrequenz (fU1) kleiner ist also die zweite Umschaltfrequenz (fU2)
Weiterhin können das Verfahren und/oder der Wechselrichter nach Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen einen oder mehrere der folgenden Betriebszustände umfassen:
Erzeugen eines Drehstromsystems mittels konventioneller PWM für eine Grundfrequenz fG unterhalb einer ersten Umschaltfrequenz fU1.
Erzeugen eines Drehstromsystems gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen für eine Grundfrequenz fG oberhalb der ersten Umschaltfrequenz fU1 und unterhalb einer zweiten Umschaltfrequenz fU2.
Erzeugen eines Drehstromsystems mittels konventioneller PWM für eine Grundfrequenz fG oberhalb der zweiten Umschaltfrequenz fU2.
Die erste Umschaltfrequenz fU1 kann bis zu 25 % unterhalb der Grundnennfrequenz fGnenn liegen, vorteilhafterweise kann die erste Umschaltfrequenz fU1 auch bis zu 15 %, 10 %, 8 % oder 5 % unterhalb der Grundnennfrequenz fGnenn liegen.
Die zweite Umschaltfrequenz fU2 kann bis zu 25 % oberhalb der Grundnennfrequenz fGnenn liegen, vorteilhafterweise kann die zweite Umschaltfrequenz fU2 auch bis zu 15 %, 10 %, 8 % oder 5 % oberhalb der Grundnennfrequenz fGnenn liegen.
Anders formuliert kann bei der Erzeugung des Drehstromsystems bei Überschreiten der ersten Umschaltfrequenz fU1 durch die Grundfrequenz fG von einer konventionellen PWM zu einer Erzeugung gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen gewechselt werden. Ebenso kann bei der Erzeugung des Drehstromsystems bei Unterschreiten der ersten Umschaltfrequenz fU1 durch die Grenzfrequenz fG von der Erzeugung gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen auf die Erzeugung mittels konventioneller PWM gewechselt werden.
Entsprechend kann eine Erzeugung des Drehstromsystems mittels konventioneller PWM übergangsweise für Start- und Stoppvorgänge Verwendung finden. Die Erzeugung des Drehstromsystems kann mittels einer konventionellen PWM mit einer Trägerfrequenz geringer als 4 kHz erfolgen, da die Start- und Stoppvorgänge nur kurze Zeitabschnitte betreffen und Verluste sowie eine eventuelle Geräuschbildung bezogen auf eine Betriebsgesamtzeit nur wenig Bedeutung haben. Eine Steigerung der Grundfrequenz fG ausgehend von einem Minimalwert fGmin, wobei fGmin 0 Hz betragen kann, kann das Anfahren eines Synchronmotors ermöglichen.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden werden die Merkmale und Aspekte der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, dabei zeigt:
1 ein erstes Pulsmuster mit drei Trabantenpulspaaren
1a einen vergrößerten Ausschnitt des umkreisten Bereichs aus 1
2 ein zweites Pulsmuster mit einem Trabantenpulspaar
2a einen vergrößerten Ausschnitt des umkreisten Bereichs aus 2
3 eine erste und eine zweite steigende Schaltflanke, sowie eine erste und eine zweite fallende Schaltflanke
4 ein Schaltbild eines Wechselrichters
5 ein Diagramm mit der Abhängigkeit des Wirkungsgrades zweier beispielhafter Motoren von der Leistung der Motoren
6 eine erste Tabelle mit Kennwerten eines beispielhaften Motors bei verschiedenen Grundfrequenzen
7 eine zweite Tabelle mit Kennwerten zweier beispielhafter Motoren bei verschiedenen Grundfrequenzen
8 ein Gleichspannungsnetz mit einer zentralen Netzversorgung und mehreren Systemen mit jeweils einem Wechselrichter und einem zugehörigen Drehstrommotor und einem weiteren System mit einem Wechselrichter und einer Mehrzahl an Drehstrommotoren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In 1 und 2 sind zwei erfindungsgemäße und beispielhafte Pulsmuster gezeigt. Die Form der Schaltflanken ist in 1 und 2 nicht dargestellt, sondern gesondert in 3 gezeigt. Die 1a und 2a sind vergrößerte Ausschnitte der 1 und 2.
Die Pulsmuster ermöglichen die Erzeugung eines Drehstromsystems zum Betreiben eines Drehstrommotors an einer Gleichspannung mit einer erhöhten Grundfrequenz fG und daraus resultierend einem erhöhtem Wirkungsgrad verglichen mit einem Betrieb an einem Drehstromnetz mit einer Standardnetzfrequenz fST. Durch den Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Drehstromsystem kann ein Drehstrommotor mit geringerem Materialeinsatz, also einem geringeren Bauvolumen genutzt werden.
Die drei zeitgleichen Spannungsverläufe der gepulsten Spannungen UR0 und US0, sowie der verketteten Ausgangsspannung URS sind über die Zeit aufgetragen, wobei 360° der Grundperiodendauer TG entsprechen. Weiterhin ist als gepunktete Sinuswelle die den gepulsten verketteten Ausgangspannungen URS entsprechende effektive Vergleichsspannung Ueff eingezeichnet.
Das Pulsmuster der nicht gezeigten dritten gepulsten Spannung UT0 ist identisch mit den Pulsmustern der ersten gepulsten Spannung UR0 und der zweiten gepulsten Spannung US0, jedoch um 120° gegenüber der zweiten gepulsten Spannung US0 und 240° gegenüber der ersten gepulsten Spannung UR0 phasenverschoben.
Entsprechend sind auch die nicht dargestellten Pulsmuster der zweiten verketteten Ausgangsspannung UST und dritten verketteten Ausgangsspannung UTR identisch mit, aber phasenverschoben zu der dargestellten verketteten Ausgangspannung URS. Dabei läuft die verkettete Ausgangspannung UST der verketteten Ausgangsspannung URS um 120° und die verkettete Ausgangsspannung UTR der verketteten Ausgangsspannung UST ebenfalls um 120° nach.
Eine Phasenverschiebung von 120° Die zweite gepulste Spannung US0 ist gegenüber der ersten gepulsten Spannung UR0 120° phasenverschoben. Die zweite gepulste Spannung US0 hinkt der ersten gepulsten Spannung UR0 um 120° nach. Das Pulsmuster der zweiten gepulsten Spannung US0 ist dabei identisch zum Pulsmuster der ersten gepulsten Spannung UR0.
So entspricht der Puls 191 dem Puls 181; der Puls 192 entspricht dem Puls 182. Gleiches gilt für die Pulse 193 und 194, welche wiederum den Pulsen 183 und 184 entsprechen. Analog verhält es sich mit Puls 291, welcher dem Puls 281 entspricht, der Puls 292 entspricht dem Puls 282 und der Puls 294 entspricht dem Puls 284. Die Pulse 284 und 294 werden zwar der vorangegangen Wellenperiode zugeordnet, sind jedoch im stationären Betrieb bei unverändertem Pulsmuster mit dem Puls 283 identisch.
Bei der Gestaltung der Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR, sowie der gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 sind verschiedene Regeln zu beachten. So sollten die Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR bei 0° und 180° eine Punktsymmetrie, sowie eine Spiegelsymmetrie bei 90° und 270° aufweisen. Daraus resultierend können an den Punkten 30°, 150°, 210° und 330° der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR Schaltflanken liegen.
Jede Halbwelle der Pulsmuster der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR weist einen Hauptpuls 110, 210, 140, 240 auf. Vorteilhafter Weise können jedem Hauptpuls 110, 210, 140, 240 zugehörige Trabantenpulspaare zugeordnet sein. So weist der Hauptpuls 110, 210 ein erstes Trabantenpulspaar mit einem ersten linksseitig angeordneten Trabantenpuls 121, 221 und einem ersten rechtsseitig angeordneten Trabantenpuls 131, 231 auf. Gleiches gilt aufgrund der Punktsymmetrie für den Hauptpuls 140, 240 und den dargestellten ersten linksseitigen Trabantenpuls 151, 251 und dem dargestellten ersten rechtsseitigen Trabantenpuls 261. Im stationären Betrieb ohne verändertes Pulsmuster würde der erste rechtsseitige Trabantenpuls 261 dem ersten rechtseitigen Trabantenpuls 271 eines vorangegangen Hauptpulses entsprechen. Neben einem ersten Trabantenpulspaar 121 und 131, 221 und 231 kann das Pulsmuster der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR auch weitere Trabantenpulspaare, gezeigt sind ein zweites Trabantenpulspaar 122 und 132 und ein drittes Trabantenpulspaar 123 und 133, aufweisen.
Die verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR, welche auch zwischen Motoranschlussleitungen 904 anliegen, weisen Amplituden a1, a2 auf. Die Amplitude der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR entspricht dabei im Wesentlichen einer Spannung UGL zwischen Speiseleitungen 902, 903 eines den Wechselrichter 931 bis 936 speisenden Gleichspannungsnetzes 900, dargestellt in 8.
Der Hauptpuls weist eine Pulsbreite b0 auf. Ein erstes Trabantenpulspaar 121 und 131 kann eine Pulsbreite b1 aufweisen. Das erste Trabantenpulspaar würde am dichtesten neben dem Hauptpuls liegen. Ein zweites Trabantenpulspaar 122 und 132 kann eine Pulsbreite b2 aufweisen. Das zweite Trabantenpulspaar würde einen zweiten linksseitigen Trabantenpuls links des ersten linksseitigen Trabantenpulses und einen zweiten rechtseitigen Trabantenpuls rechts des ersten rechtsseitigen Trabantenpulses aufweisen. Das zweite Trabantenpulspaar würde das erste Trabantenpulspaar umschließen. Entsprechend kann ein drittes Trabantenpulspaar 123 und 133 eine dritte Pulsbreite b3 aufweisen. Das dritte Trabantenpulspaar würde außerhalb des zweiten Trabantenpulspaares angeordnet sein. Die Entfernung zum Hauptpuls würde vom ersten Trabantenpulspaar über das zweite Trabantenpulspaar zunehmen. Das dritte Trabantenpulspaar wäre weiter vom Hauptpuls entfernt als das zweite Trabantenpulspaar. Für weitere Trabantenpulspaare kann das Zählschema entsprechend fortgesetzt werden. Weiterhin kann die Pulsbreite b1 des ersten Trabantenpulspaares kleiner als die Pulsbreite b0 des Hauptpulses ausfallen, die Pulsbreite b2 des zweiten kann kleiner als die Pulsbreite b1 des ersten Trabantenpulspaares sein, und die Pulsbreite b3 des dritten Trabantenpulspaares kann wiederum kleiner als die Pulsbreite b2 des zweiten Trabantenpulspaares sein. Da die horizontale Achse der Darstellungen die Zeit darstellt, eilt ein linksseitig angeordneter Trabantenpuls dem Hauptpuls voraus, ein rechtsseitig angeordneter Trabantenpuls hinkt dem Hauptpuls nach. Die Breite der Pulse wird auch als die Dauer des Pulses bezeichnet. Ein breiterer Puls dauert länger an als ein schmalerer Puls. Insofern ist unmittelbar verständlich, dass ein erfindungsgemäßes Pulsmuster im Zeitverlauf einer Halbperiode zuerst eine zunehmende Pulsdauer, dann einem am längsten andauernden Hauptpuls und eine nachfolgend abnehmenden Pulsdauer aufweisen kann. Eine erste Pulslücke b6 zwischen dem Hauptpuls 110 und dem nebenliegenden ersten Trabantenpuls 131 wäre wiederum kleiner als eine zweite weiter vom Hauptpuls 110 entfernte Pulslücke b7, welche wiederum kleiner sein könnte als eine noch weiter vom Hauptpuls 110 entfernte Pulslücke b8. Die Zeitspanne zwischen zwei Pulsen könnte vorteilhafter Weise zu Beginn einer Halbperiode also zuerst abnehmen und nach dem Hauptpuls 110 wieder zunehmen.
Auf die beschriebene Weise wird ein Pulsmuster der verketteten Ausgangsspannungen auf eine Minimierung von Oberwellen und eine möglichst geringe Anzahl von Schaltvorgängen im Leistungsteil des Wechselrichters hin optimiert. Die schraffierten Spannungs-Zeit-Flächen 201 bis 206 zwischen der eigentlich effektiven Vergleichsspannung Ueff und der realen verketteten Ausgangspannung bewirken einen Oberwellenstrom, der zur Minimierung von Verlusten im Drehstrommotor und zur Minimierung einer Belastung von Wicklungen im Drehstrommotor möglichst klein gehalten werden sollte. Weiterhin führt die geringe Schalthäufigkeit zu entsprechend geringen Schaltverlusten im Wechselrichter, sodass sich die Schaltverluste nur geringfügig auf den Gesamtwirkungsgrad eines Systems bestehend aus einem Wechselrichter, einem Drehstrommotor und optional einem Getriebe auswirkt.
Gemäß den Aspekten der Erfindung ist eine erhöhte Grundfrequenz fG der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR, beziehungsweise der gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 mit 60 Hz bis 150 Hz vorteilhaft, da Sie zu einem erhöhten Gesamtwirkungsgrad führen kann. Abhängig vom Anwendungsfall kann die vorteilhafte Grundfrequenz fG auch in den Bereichen zwischen 65 Hz bis 130 Hz oder 70 Hz bis 100 Hz, bzw. bei zwei nebeneinander bestehenden auf Drehstrommotoren unterschiedlicher Polzahl optimierte Frequenzbereiche zwischen 60 Hz bis 87 Hz und 90 Hz bis 130 Hz liegen.
Besonders Systeme bestehend aus einem Drehstrommotor und einem Getriebe, wie beispielsweise Getriebemotoren, können in einem optimierten Drehzahlbereich an der Motorwelle von etwa 1800 Umdrehungen pro Minute bis etwa 2600 Umdrehungen pro Minute einen erhöhten Gesamtwirkungsgrad aufweisen. Insofern kann es vorteilhaft sein, einen vierpoligen Drehstrommotor mit einer Grundfrequenz fG im Bereich von 60 Hz bis 87 Hz und einen sechspoligen Drehstrommotor mit einer Grundfrequenz fG im Bereich von 90 Hz bis 130 Hz betrieben werden. Vierpolige und sechspolige Drehstrommotoren haben sich aufgrund ihrer günstigen magnetischen Geometrie und eine vorteilhafte Anordnung der Wicklungen als besonders geeignet erwiesen, sie können deshalb bevorzugt ausgewählt werden.
Das Pulsmuster der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR kann einen Hauptpuls 110 mit einer Pulsbreite b0 ≥ 60° aufweisen. Ein solches Pulsmuster kann die Amplitude der effektiven Vergleichsspannung Ueff gegenüber der speisenden Gleichspannung erhöhen. Ein Pulsmuster von URS, wie in 1 gezeigt, weist eine um ca. 5 % gegenüber der speisenden Gleichspannung erhöhte Amplitude der effektiven Vergleichsspannung Ueff auf. Gleichwohl kann die Pulsbreite b0 bei reduzierter Amplitude der effektiven Vergleichsspannung Ueff auch unter 60° betragen. Dies ist in einem Teillastbetrieb interessant, da durch eine Reduzierung der Amplitude der effektiven Vergleichsspannung Ueff unter geringer Belastung der Wirkungsgrad erhöht werden kann.
Vorteilhaft kann das Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR mindestens ein Trabantenpulspaar 121 und 131, 221 und 231 pro Hauptpuls 110, 210 aufweisen. Trabantenpulspaare minimieren Oberwellenströme die aus der Abweichung zwischen dem Pulsmuster der verketteten Ausgangspannung URS, UST und UTR und einer Sinuswelle resultieren.
Vorteilhaft kann das Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR maximal sieben und weiter vorteilhaft zwei bis fünf Trabantenpulspaare aufweisen. Das Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR aus 1 zeigt ein Pulsmuster mit drei Trabantenpulspaaren 121 und 131, 122 und 132, sowie 123 und 133. Auch ein Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR mit zwei, vier, fünf, sechs oder sieben Trabantenpulspaaren zeigt die zuvor genannten Regelmäßigkeiten auf:
Spiegelsymmetrien in 90° und 270°, Punktsymmetrien in 0° und 180°. Die Pulsbreiten der Trabantenpulspaare kann mit zunehmendem Abstand vom Hauptpuls abnehmen, sodass gelten würde b0 > b1 > b2 > b3 > b4 > b5. Pulslückenbreiten zwischen zwei benachbarten Pulsen hingegen könnten mit zunehmendem Abstand vom zugehörigen Hauptpuls zunehmen, sodass gelten würde b6 < b7 < b8 < b9 < b10. Eine Begrenzung auf sieben oder weniger Trabantenpulspaare je Hauptpuls kann die Schaltverluste in der Wechselrichterschaltung reduzieren. Zwei bis fünf Trabantenpulspaare können vorteilhaft sein.
Vorteilhaft können die gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 jeweils maximal 2860 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dies würde maximal 1430 Pulsen pro Sekunde mit jeweils einer steigenden und einer fallenden Schaltflanke entsprechen. Vorteilhafter Weise könnten die gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 auch jeweils maximal 2100 Schaltflanken pro Sekunde oder jeweils maximal 1820 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dies würde jeweils maximal 1050 Pulsen pro Sekunde oder jeweils maximal 910 Pulsen pro Sekunde mit einer steigenden und einer fallenden Schaltflanke pro Puls entsprechen. Vorteilhafter Weise können die gepulsten Spannung UR0, US0 und UT0 jeweils minimal 980 Schaltflanken pro Sekunde und maximal 1540 Schaltflanken pro Sekunde, entsprechend jeweils minimal 490 Pulsen pro Sekunde und maximal 770 Pulse pro Sekunde, aufweisen.
Die Anzahl der Trabantenpulspaare kann dabei abhängig von der Grundfrequenz fG gewählt werden. So könnten bei einer maximalen Anzahl von 2100 Schaltflanken pro Sekunde in den jeweiligen gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 bis zur Grundfrequenz fG mit 70 Hz Pulsmuster mit sieben Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Bis zur Grundfrequenz fG mit 80 Hz könnten Pulsmuster mit sechs Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Bis zur Grundfrequenz fG mit 95 Hz könnten Pulsmuster mit fünf Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Bis zur Grundfrequenz fG mit 116 Hz könnten Pulsmuster mit vier Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Bis zur Grundfrequenz fG mit 150 Hz könnten Pulsmuster mit drei Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Eine Begrenzung der Anzahl der Schaltflanken pro Sekunde in den gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 kann die Schaltverluste in der Wechselrichterschaltung reduzieren. Pulsmuster mit einer Anzahl von minimal 980 Schaltflanken pro Sekunde und maximal 1540 Schaltflanken pro Sekunde können das Drehstromsystem hinsichtlich einer Reduzierung der Schaltverluste und einer Reduzierung der Oberwellen optimieren.
Das Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR kann vorteilhaft Resonanzen minimieren, da die gewählten Pulsbreiten und Pulslückenbreiten die Struktur des Drehstrommotors mit einem vergleichsweise breiten Frequenzspektrum bei niedriger Amplitude anregen. Mechanische Belastungen durch Schwingungen und Geräuschentwicklungen im Wechselrichter und Drehstrommotor können minimiert werden, sie werden deshalb vm Menschen als nicht so störend empfunden.
Die Schaltflanken der gepulsten Spannungen UR0, US0 und UT0 können in einer vorteilhaften Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, eine Flankensteilheit von unter 2 kV/μs aufweisen. Noch vorteilhafter ist, die Flankensteilheit sogar noch weiter, zum Beispiel auf 1 kV/μs oder weniger zu senken. Gezeigt sind steigende Schaltflanken 31, 32 und fallende Schaltflanken 33, 34. Bei den Schaltflanken 31 und 33 handelt es sich um Flanken eines Trapezpulses mit einer gleichmäßigen Flankensteilheit. Vorteilhaft können die Schaltflanken so verändert werden, dass es in einer Spannungsänderungsrate keinen plötzlichen Sprung gibt, ein Betrag der Flankensteilheit also nicht von 0 kV/μs auf einen maximalen Betrag der Flankensteilheit springt. Solche Ausführungsformen sind in den Schaltflanken 32 und 34 gezeigt, welche in den Anfangs- und Endbereichen 343, 344 gegenüber der Trapezpulse mit den Anfangs- und Endbereichen 333, 334 stetig differenzierbar sein können. Eine solche vorteilhafte Ausführungsform kann zwar in der Regel die Schaltverluste im Wechselrichter erhöhen, sie kann jedoch ebenso die Belastung und die Verluste im Drehstrommotor reduzieren. Die Vorteile der Reduktion der Belastung der Wicklungsisolation und die Verringerung der Störemissionen können die genannten Nachteil überwiegen.
4 zeigt den Leistungsteil eines Wechselrichters mit einer vereinfachten Wechselrichterschaltung, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Wechselrichterschaltung weist drei Wechselrichterzweige 410, 420, 430 auf. Weiterhin weist der Wechselrichter Anschlussmittel auf. Jedem Wechselrichterzweig ist ein Anschlusspunkt in den Anschlussmitteln zugeordnet. So weist ein erster Wechselrichterzweig 410 einen ersten Anschlusspunkt R, ein zweiter Wechselrichterzweig 420 einen zweiten Anschlusspunkt S und ein dritter Wechselrichterzweig 430 einen dritten Anschlusspunkt T auf. Die zwischen den Anschlusspunkten R und S anliegende verkettete Ausgangsspannung URS ist eingezeichnet. Entsprechend liegt zwischen den Anschlusspunkten S und T die verkettete Ausgangspannung UST und zwischen den Anschlusspunkten T und R die verkettete Ausgangspannung UTR an. Der Drehstrommotor ist vereinfacht durch drei sternförmig verbundene Induktivitäten dargestellt. Das gemeinsame Referenzpotenzial 0 der gepulsten Ausgangspannungen UR0, US0 und UT0 liegt im Knotenpunkt der drei sternförmig verbunden Induktivitäten an, sodass die gepulsten Ausgangsspannungen UR0, US0 und UT0 jeweils zwischen den Anschlusspunkten R, S und T sowie dem gemeinsamen Referenzpotenzial 0 anliegen. Ein exemplarischer erster Messpunkt 41 für den Statorstrom IS kann in einem Bereich der Wechselrichterschaltung angeordnet sein, der von allen dreien Statorphasenströmen durchflossen wird. Ein exemplarischer zweiter Messpunkt 42 kann in einem Bereich der drei Wechselrichterzweige angeordnet sein, der von einem der drei Statorphasenströme ISP durchflossen wird. Die Statorphasenströme sind die Ströme, die durch jeweils eine der drei Statorwicklungen fließen.
Der Wechselrichter umfasst neben dem Leistungsteil einen Steuerteil. Der Steuerteil kann den Leistungsteil ansteuern um erfindungsgemäße gepulste Spannungen UR0, US0 und UT0, sowie erfindungsgemäße verkettete Ausgangspannungen URS, UST und UTR zu erzeugen. Weiterhin kann der Wechselrichter Funktionen und Merkmale gemäß den Aspekten der Erfindung umfassen, wie sie bereits beschrieben wurden. Eine Schlupfkompensation kann die Drehzahl an der Motorwelle und somit am Abtrieb des Drehmomentmotors bei sich änderndem Arbeitsmoment MW stabilisieren, in einem Teillastbereich kann eine Herabsetzung der Pulsbreiten den Wirkungsgrad des Motors erhöhen, und unzulässige Betriebszustände können durch die Messung und Auswertung des Statorstromes IS oder des Statorphasenstromes ISP und/oder einer Motortemperatur und/oder einer Wechselrichtertemperatur erfasst und durch eine vorbestimmte Reaktion zum Schutz des Drehmomentmotors beziehungsweise der angetriebenen Maschine beendet werden. Das Verfahren zum Betrieb des Drehstrommotors in einem stationären Betriebszustand kann eine Erzeugung eines Drehstromsystems mit einem optimierten Pulsmuster nach den Aspekten der Erfindung umfassen, während zum Anfahren und Abbremsen eines Drehstrommotors und insbesondere eines Synchronmotors während Start- und Stoppvorgängen die Erzeugung des Drehstromsystems mittels konventioneller PWM erfolgt. Eine zugehörige Trägerfrequenz kann weniger als 4 kHz betragen. Ein Betreiben des Drehstrommotors in einem Feldschwächbetrieb kann den Wirkungsgrad weiter erhöhen.
Ein Verfahren und/oder ein Wechselrichter nach Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen kann für die Grundfrequenz fG in einem Frequenzbereich unterhalb eines ersten Umschaltfrequenz fU1 und/oder oberhalb einer zweiten Umschaltfrequenz fU2 ein Drehstromsystem mit einer konventionellen PWM umfassen.
Bei der Erzeugung des Drehstromsystems kann bei Überschreiten der ersten Umschaltfrequenz fU1 durch die Grundfrequenz fG von einer konventionellen PWM zu einer Erzeugung gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen gewechselt werden. Ebenso kann bei der Erzeugung des Drehstromsystems bei Unterschreiten der ersten Umschaltfrequenz fU1 durch die Grenzfrequenz fG von der Erzeugung gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen auf die Erzeugung mittels konventioneller PWM gewechselt werden.
5 zeigt die Wirkungsgrade zweier beispielhafter Drehstrommotoren bei vergleichbarer Leistung. Die gepunktete Linie 61 zeigt den Wirkungsgrad eines Asynchronmotors einer ersten Bauart mit einer Eisenlänge von 100mm zum Betrieb mit einer Standardnetzfrequenz von 50 Hz. Die Eisenlänge beschreibt die Länge der Erstreckung des Eisenpaketes in einer Richtung entlang der Drehachse. Ein Asynchronmotor einer zweiten Bauart gleicher Motorbaugröße aber mit einer geringeren Eisenlänge von 75mm kann beim Betrieb mit einer Grundfrequenz fG, die mit 70 Hz höher als die Standardnetzfrequenz ist, eine vergleichbare Leistung abgeben. Das verfügbare Drehmoment des Asynchronmotors der zweiten Bauart ist entsprechend geringer. Bei einer abgegebenen Leistung ab etwa 0,6kW – was einer ungefähren Teillast von 50 % entspricht – weist der Asynchronmotor der zweiten Bauart einen durchgängig höheren Wirkungsgrad 62 auf.
Für eine nähere Erläuterung der Verlustleistungen wird auf die Tabellen in 6 und 7 Bezug genommen.
Hierbei vergleicht 6 einen Asynchronmotor zweiten Bauart zum Betrieb mit einer Standardnetzfrequenz von 50 Hz mit einem Asynchronmotor der zweiten Bauart zum Betrieb mit einer erhöhten Grundfrequenz fG von 70 Hz. Obwohl Lüftungs- und Reibungsverluste Pfw und Eisenverluste Pfe ansteigen, verbessert sich der Wirkungsgrad η um über 1 %. Voraussetzung dafür ist unter anderem, dass ein vorgegebenes Lastmoment in beiden Betriebszuständen geringer als das Kippmoment ist und das die Asynchronmotoren die entstehende Gesamtverlustleistung thermisch abführen können.
7 vergleicht einen Asynchronmotor der ersten Bauart mit einer Eisenlänge von 100mm zum Betrieb mit einer Standardnetzfrequenz von 50 Hz mit einem Asynchronmotor der zweiten Bauart mit verkürzter Eisenlänge von 75mm zum Betrieb mit einer erhöhten Grundfrequenz fG von 70 Hz. Der Asynchronmotor der ersten Bauart und der Asynchronmotor der zweiten Bauart können jeweils mit einem ersten und einem zweiten Untersetzungsgetriebe verbunden sein, welches den Arbeitsmoment MW mit Arbeitsdrehzahl nW an einem Getriebeabtrieb zur Verfügung stellt. Die Untersetzung des zweiten Untersetzungsgetriebes kann dabei größer sein als die Untersetzung des ersten Untersetzungsgetriebes, sodass bei beiden Getriebeabtrieben ein gleiches Arbeitsmoment MW bei vergleichbarer Arbeitsdrehzahl nW anliegt.
Bei nahezu identischer mechanischer Abgabeleistung von 1,1kW kann der Asynchronmotor der zweiten Bauart gegenüber dem Asynchronmotor der ersten Bauart zwar erhöhte Lüftungs- und Reibungsverluste Pfw, sowie höhere Eisenverluste Pfe aufweisen. Dafür können Ständerwicklungsverluste Psθ, Läuferwicklungsverluste Prθ und momentabhängige Zusatzverluste PLL sinken. Weiterhin bezeichnet in 6 und 8 P1 die elektrische Aufnahmeleistung, PT die addierten Gesamtverluste und P2 die mechanische Abgabeleistung. Die mechanische Abgabeleistungen P2 des Asynchronmotors der ersten Bauart und des Asynchronmotors der zweiten Bauart sind über die Auslastung in 6 dargestellt. Neben einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung kann der Asynchronmotor kürzer oder kleiner gebaut werden. Weiterhin kann ein Lüfterrad des Drehstrommotors an den veränderten Wirkungsgrad angepasst werden. Die erhöhten Lüftungsverluste können so zumindest teilweise kompensiert werden. Zusätzlich zu einer erhöhten Energieeffizienz können sich deutliche Kosten- und Materialeinsparungen ergeben.
Entsprechend wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Drehstrommotors für ein System gemäß Aspekten der Erfindung bereitgestellt. Gemäß diesem Verfahren wir die Eisenlänge gegenüber einem Betrieb des Drehstrommotors bei einer Grundfrequenz kleiner 65 Hz reduziert. Die Reduzierung der Eisenlänge kann vorteilhaft in einem Bereich von 10 % bis 50 %, vorteilhaft bei 25 % liegen.
In 8 ist ein Gleichspannungsnetz 900 gezeigt. Eine zentrale Netzversorgung 920 enthält einen optionalen Netzfilter 923, einen Gleichrichter 921 und einen optionalen Wechselrichter 922 zur Rückspeisung von Energieüberschüssen aus dem Gleichspannungsnetz in das Versorgungsnetz 901. Das Gleichspannungsnetz weist Speiseleitungen 902, 903 auf, welche erfindungsgemäße Wechselrichter 931 bis 936 speisen. Die Wechselrichter 931 bis 935 betreiben jeweils einen Drehstrommotor 941 bis 945. Kurze Speiseleitungen zwischen Wechselrichter und Drehstrommotor können elektromagnetischen Emissionen reduzieren. Deshalb ist es vorteilhaft, die Speiseleitungen 902, 902 im Vergleich zu den Speiseleitungen zwischen Wechselrichter und Drehstrommotor lang zu gestalten und den Wechselrichter möglichst am oder im Drehstrommotor anzuordnen.
Ein erstes erfindungsgemäßes System 951 bestehend aus einem erfindungsgemäßen Wechselrichter 935 und einem Drehstrommotor 945 ist dargestellt.
Ein zweites erfindungsgemäßes System 952 bestehend aus einem erfindungsgemäßen Wechselrichter 936 und einer Mehrzahl an Drehstrommotoren 946 bis 948 ist ebenfalls dargestellt.
Bei den Drehstrommotoren 941 bis 948 kann es sich um Synchronmotoren oder Asynchronmotoren handeln. Den Drehstrommotoren 941 bis 948 zugehörig können Getriebe sein. Insbesondere kann es sich bei den Drehstrommotoren 941 bis 948 um Getriebemotoren handeln.
Die Drehstrommotoren 941 bis 948 können hinsichtlich der gegenüber der Standardnetzfrequenz fST erhöhten Grundnennfrequenz fGnenn optimiert ausgelegt werden. Das betrifft insbesondere die Auslegung der Wicklungen für das neue Spannungs-Frequenzverhältnis, eine Aufwahl einer für die erhöhte Grundfrequenz fG verbesserte Blechqualität und eine optimierte Auslegung eines Lüfters auf der Motorwelle. Die Drehstrommotoren 941 bis 948 können aufgrund der erhöhten Grundfrequenz fG kleiner – also mit einem geringeren Motorvolumen – ausgelegt werden. Die resultierende höhere Motordrehzahl kann durch die Wahl eines Getriebes mit einer höheren Übersetzung als ein Getriebe bei einem vergleichbaren Drehstrommotor, angetrieben von einem Drehstromsystem mit einer Standardnetzfrequenz fST, aufweisen würde, kompensiert werden. Anders formuliert, wird kann erhöhte Motordrehzahl über eine größere getriebeübersetzung wieder an die gewünschte Arbeitsdrehzahl nW angepasst.
An einem Gleichspannungsnetz kann eine beliebige Anzahl von Wechselrichtern betrieben werden, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bereitstellen eines Arbeitsmomentes durch einen Drehstrommotor an einem Gleichspannungsnetz durchzuführen. Ebenfalls können an einem Gleichspannungsnetz eine beliebige Anzahl der ersten und/oder eine beliebige Anzahl der zweiten erfindungsgemäßen Systeme betrieben werden.
Durch eine Signalverbindung des Steuerteils des Wechselrichters mit einer zentralen Steuerung einer Anlage kann ein Betriebszustand beziehungsweise entsprechende Kenn- und Betriebsdaten des Motors zentral erfasst, verarbeitet und überwacht werden. Die Kenn- und Betriebsdaten des Motors und/oder des Getriebes können die (beispielsweise kumulierten) Betriebszeiten Lastkollektive umfassen. Die Kenn- und Betriebsdaten des Motors und/oder des Getriebes können in einem Speicher des Steuerteils hinterlegt sein. Bei der Signalverbindung kann es sich um einen Datenbus handeln.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors, insbesondere zum Bereitstellen eines Arbeitsmomentes (MW) mit einer Arbeitsdrehzahl (nW) durch einen Drehstrommotor, an einem Gleichspannungsnetz, umfassend: Erzeugung eines Drehstromsystems mit einer ersten gepulsten Spannung (UR0) mit Schaltflanken (321, 322, 331, 332), einer gegenüber der ersten gepulsten Spannung (UR0) um 120° phasenverschobenen zweiten gepulsten Spannung (US0) mit Schaltflanken (321, 322, 331, 332) und einer gegenüber der ersten gepulsten Spannung (UR0) um 240° phasenverschobenen dritten gepulsten Spannung (UT0) mit Schaltflanken (321, 322, 331, 332), wobei Halbwellen einer Grundwelle von einer ersten verketteten Ausgangspannung (URS), einer zweiten verketteten Ausgangspannung (UST) und einer dritten verketteten Ausgangspannung (UTR) zumindest einen Hauptpuls aufweisen, und wobei eine gemeinsame Grundfrequenz (fG) der ersten verketteten Ausgangspannung (URS), der zweiten verketteten Ausgangspannung (UST) und der dritten verketteten Ausgangspannung (UTR) größer als 60 Hz und kleiner oder gleich 150 Hz ist, und Betreiben des Drehstrommotors mit dem erzeugten Drehstromsystem.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grundfrequenz (fG) zwischen 65 Hz und 130 Hz, insbesondere 70 Hz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbwellen der Grundwelle der ersten verketteten Ausgangspannung (URS), der zweiten verketteten Ausgangspannung (UST) und der dritten verketteten Ausgangspannung (UTR) jeweils eine Zahl von ein bis sieben Trabantenpulspaaren aufweisen, und die Trabantenpulspaare aus jeweils zwei symmetrisch beabstandeten beiderseits des Hauptpulses (110, 210) angeordneten identischen Trabantenpulsen (121, 131, 122, 132, 123, 133) mit zugehörigen Pulsbreiten (b1, b2, b3) bestehen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Zahl von Trabantenpulspaaren je Halbwelle zwei bis fünf beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gepulsten Spannungen (UR0, US0, UT0) jeweils maximal 2860 Schaltflanken (321, 322, 331, 332) pro Sekunde aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, wobei die gepulsten Spannungen (UR0, US0, UT0) Schaltflanken (321, 322, 331, 332) mit einer Flankensteilheit von weniger als 2kV/μs aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen zwei nebeneinanderliegenden Schaltflanken (321, 322, 331, 332) der gepulsten Spannungen (UR0, US0, UT0) ein zeitlicher Abstand von mindestens 10 μs liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend: Anfahren des Drehstrommotors (941–948)), wobei es sich bei dem Drehstrommotor (941–948) um einen Asynchronmotor handelt und wobei die Pulsbreite (b0) des Hauptpulses und die Pulsbreiten (b1, b2, b3) der Trabantenpulse über eine Zeitspanne (ta) bis zum Erreichen vorbestimmter Pulsnennbreiten gesteigert werden, oder wobei es sich bei dem Drehstrommotor (941–948) um einen Asynchronmotor oder einen Synchronmotor handelt und wobei die Grundfrequenz (fG) ausgehend von einem Minimalwert (fGmin) bis zum Erreichen einer vorbestimmten Grundnennfrequenz (fGnenn) gesteigert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: Überwachung eines Statorstroms (IS) oder eines Statorphasenstromes (ISP) in einem Leistungsteil des Wechselrichters, wobei i. Überschreitung eines vorbestimmten Maximalgrenzwertes (Imax) durch den Statorstrom (IS) oder Statorphasenstrom (ISP) eine Absenkung der Grundfrequenz (fG) auslöst, ii. in einem stationären Bereich, mit dem Statorstrom (IS) oder Statorsphasenstrom (ISP) kleiner als der Maximalgrenzwert (Imax), eine Schlupfkompensation durch eine zum Statorstrom (IS) oder Statorphasenstrom (ISP) zugehörige Erhöhung der Grundfrequenz (fG) stattfindet, sofern es sich bei dem Drehstrommotor (941–945) um einen Asynchronmotor handelt, und iii. Unterschreitung eines vorbestimmten Minimalgrenzwertes (Imin) durch den Statorstrom (IS) oder Statorphasenstrom (ISP) eine Verringerung der Pulsbreiten (b0–b4) des Hauptpulses (110, 210) und der Trabantenpulse (121, 131, 122, 132, 123, 133) auslöst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: Auswählen des Drehstrommotors (941–948) mit einem Drehstrommotorabtrieb, einer Polpaarzahl (p) größer/gleich 2 und kleiner/gleich 4 und einem Nennmoment (MN), Auswählen eines Getriebes mit einem Getriebeantrieb und einem Getriebeabtrieb und einem Übersetzungsverhältnis (i) = Getriebeantriebsdrehzahl/Getriebeabtriebsdrehzahl mit einer Untersetzung |i| > 1, Verbinden des Drehstrommotors (941–948) mit dem Getriebe, wobei der Motorabtrieb den Getriebeantrieb antreiben kann, Erzeugen des Drehstromsystems mit einer Grundnennfrequenz (fGnenn), Betreiben des Drehstrommotors (941–948) mit dem erzeugten Drehstromsystem, wobei das Auswählen der Polpaarzahl (p), des Nennmomentes (MN), des Übersetzungsverhältnisses (i) und einer Grundnenndrehfrequenz (fGnennD) folgende Bedingungen erfüllt: MN·|i|·η ≈ MW fGnennD/(p·|i|) ≈ nW.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: Verwenden einer konventionellen Pulsweitenmodulation unterhalb einer ersten Umschaltfrequenz (fU1) und/oder oberhalb einer zweiten Umschaltfrequenz (fU2), wobei die erste Umschaltfrequenz (fU1) kleiner ist als die zweite Umschaltfrequenz (fU2).
Wechselrichter (931–936) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Wechselrichter (931–936) einen Leistungsteil und einen Steuerteil enthält, wobei a. der Steuerteil eine Recheneinheit, einen Speicher, eine analoge Schnittstelle und eine digitale Schnittstelle enthält und geeignet ist den Leistungsteil anzusteuern und vom Leistungsteil Signale zu empfangen, und b. der Leistungsteil einen ersten Wechselrichterzweig (410) zum Ausgeben der ersten gepulsten Spannung (UR0), einen zweiten Wechselrichterzweig (420) zum Ausgeben der zweiten gepulsten Spannung (US0) und einen dritten Wechselrichterzweig (430) zum Ausgeben der gepulsten Spannung (UT0) an Anschlussmitteln (RST) zum Anschluss des Drehstrommotors (941–948) aufweist, und wobei c. im Speicher eine digitale Repräsentation eines oder mehrerer Pulsmuster zur Erzeugung der ersten, zweiten und dritten gepulsten Spannung (UR0, US0, UT0) abgelegt ist.
Wechselrichter nach Anspruch 11, wobei im Speicher Kenndaten und Betriebsdaten des Drehstrommotors abgelegt sind.
System (951) bestehend aus einem Wechselrichter (935) nach einem der Ansprüche 12 oder 13 und einem Drehstrommotor (945), wobei der Wechselrichter (935) in oder an einem Gehäuse des Drehstrommotors (945) angeordnet ist, um mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 an Abtrieben Arbeitsmomente (MW) bereitzustellen.
System (952) bestehend aus einem Wechselrichter (936) nach Anspruch 12 oder 13 und einer Mehrzahl von Drehstrommotoren (946–948), wobei der Wechselrichter (952) die Drehstrommotoren (946–948) mit dem Drehstromsystem speist, um mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 an Abtrieben Arbeitsmomente (MW) bereitzustellen.
Verfahren zur Herstellung eines Drehstrommotors (945–948) für ein System (591, 592) nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Drehstrommotor (945–948) ein Asynchronmotor ist, umfassend: Reduzieren der Eisenlänge, welche die Distanz zwischen Kurzschlussringen eines Rotors des Drehstrommotors (945–948) ist, gegenüber einem Asynchronmotor, der für den Betrieb in einem Bereich der Grundfrequenz von 50 Hz bis 60 Hz ausgelegt ist.