DE102019201053A1

DE102019201053A1 - Frequenzumrichter und System

Info

Publication number: DE102019201053A1
Application number: DE102019201053.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Eutebach; Frank Jochim
Original assignee: Lenze Automation GmbH
Current assignee: Lenze SE
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Frequenzumrichter (100), aufweisend:- eine erste Halbrückenschaltung (1) mit einem Mittenabgriff (2), wobei der Mittenabgriff (2) der ersten Halbrückenschaltung (1) mit einem ersten Ausgangsanschlusspol (3) des Frequenzumrichters (100) elektrisch verbunden ist,- eine zweite Halbrückenschaltung (4) mit einem Mittenabgriff (5), wobei der Mittenabgriff (5) der zweiten Halbrückenschaltung (4) mit einem zweiten Ausgangsanschlusspol (6) des Frequenzumrichters (100) elektrisch verbunden ist,- eine dritte Halbrückenschaltung (7) mit einem Mittenabgriff (8), wobei der Mittenabgriff (8) der dritten Halbrückenschaltung (7) mit einem dritten Ausgangsanschlusspol (9) des Frequenzumrichters (100) elektrisch verbunden ist, und- eine Steuereinheit (10), die dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbrückenschaltung (1, 4, 7) anzusteuern,- wobei der Frequenzumrichter (100) eine Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart aufweist, bei der- an den ersten Ausgangsanschlusspol (3) und an den dritten Ausgangsanschlusspol (9) ein erster elektrischer Verbraucher (11, 12) anschließbar ist,- an den zweiten Ausgangsanschlusspol (6) und an den dritten Ausgangsanschlusspol (9) ein zweiter elektrischer Verbraucher (13, 14) anschließbar ist, und- die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbrückenschaltung (1, 4, 7) derart anzusteuern, dass zwischen dem ersten Ausgangsanschlusspol (3) und dem dritten Ausgangsanschlusspol (9) eine erste gepulste Spannung (U1) ausgegeben wird, und zwischen dem zweiten Ausgangsanschlusspol (6) und dem dritten Ausgangsanschlusspol (9) eine zweite gepulste Spannung (U2) ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter und ein System mit einem solchen Frequenzumrichter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter und ein System mit einem Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, die möglichst universell verwendbar sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Frequenzumrichter nach Anspruch 1 und ein System nach Anspruch 5.
Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter weist herkömmlich auf: eine erste Halbrückenschaltung mit einem Mittenabgriff, wobei der Mittenabgriff der ersten Halbrückenschaltung mit einem ersten Ausgangsanschlusspol des Frequenzumrichters elektrisch verbunden ist, eine zweite Halbrückenschaltung mit einem Mittenabgriff, wobei der Mittenabgriff der zweiten Halbrückenschaltung mit einem zweiten Ausgangsanschlusspol des Frequenzumrichters elektrisch verbunden ist, eine dritte Halbrückenschaltung mit einem Mittenabgriff, wobei der Mittenabgriff der dritten Halbrückenschaltung mit einem dritten Ausgangsanschlusspol des Frequenzumrichters elektrisch verbunden ist, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbrückenschaltung anzusteuern. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Die jeweiligen Halbrückenschaltungen können herkömmlich beispielsweise mindestens zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschaltmittel aufweisen, beispielsweise IGBTs. Der Mittenabgriff der jeweiligen Halbrückenschaltungen kann ein Verbindungsknoten der beiden Halbleiterschaltmittel der jeweiligen Halbrückenschaltung sein. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Erfindungsgemäß weist der Frequenzumrichter eine spezielle Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart auf, während der bzw. bei der an den ersten Ausgangsanschlusspol und an den dritten Ausgangsanschlusspol bestimmungsgemäß ein erster elektrischer Verbraucher anschließbar bzw. angeschlossen ist, und an den zweiten Ausgangsanschlusspol und an den dritten Ausgangsanschlusspol ein zweiter elektrischer Verbraucher anschließbar bzw. angeschlossen ist. Die Steuereinheit ist in der Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart dazu ausgebildet, die erste, die zweite und die dritte Halbrückenschaltung bzw. deren Halbleiterschaltmittel derart anzusteuern, dass zwischen dem ersten Ausgangsanschlusspol und dem dritten Ausgangsanschlusspol eine erste gepulste Spannung ausgegeben wird, und zwischen dem zweiten Ausgangsanschlusspol und dem dritten Ausgangsanschlusspol eine zweite gepulste Spannung ausgegeben wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit in der Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart dazu ausgebildet, die dritte Halbbrückenschaltung derart anzusteuern, dass am dritten Ausgangsanschlusspol ein zeitlich konstantes Potential, insbesondere ein negatives Zwischenkreispotential, ausgegeben wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit in der Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart dazu ausgebildet, die erste gepulste Spannung derart zu erzeugen, dass sich durch den ersten elektrischen Verbraucher ein, insbesondere zeitlich konstanter, Strom mit einer einstellbaren ersten Stromstärke einstellt und/oder die zweite gepulste Spannung derart zu erzeugen, dass sich durch den zweiten elektrischen Verbraucher ein, insbesondere zeitlich konstanter, Strom mit einer einstellbaren zweiten Stromstärke einstellt. Die erste Stromstärke und die zweite Stromstärke können identisch oder verschieden sein.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Frequenzumrichter weiter eine herkömmliche Drehstrom-Betriebsart auf, bei der die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbrückenschaltung derart anzusteuern, dass zwischen dem ersten Ausgangsanschlusspol, dem zweiten Ausgangsanschlusspol und dem dritten Ausgangsanschlusspol Wechselspannungen mit einstellbarer Frequenz und Amplitude zum Ansteuern eines Elektromotors ausgegeben werden. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Das erfindungsgemäße System weist einen ersten elektrischen Verbraucher auf, insbesondere in Form eines ohmschen Heizelements, und/oder einen zweiten elektrischen Verbraucher auf, insbesondere in Form eines ohmschen Heizelements, und einen oben beschriebenen Frequenzumrichter auf, wobei an den ersten Ausgangsanschlusspol und an den dritten Ausgangsanschlusspol des Frequenzumrichters der erste elektrische Verbraucher angeschlossen ist, und an den zweiten Ausgangsanschlusspol und an den dritten Ausgangsanschlusspol des Frequenzumrichters der zweite elektrische Verbraucher angeschlossen ist.
Häufig müssen neben Elektromotoren auch andere sogenannte Nebenaggregate bedient und gesteuert werden. Ein Beispiel hierfür ist das Ansteuern eines Schweißelements zur Verschweißung von Plastikfolien und ähnlichen Materialien. Schweißelemente werden üblicherweise mit einem konstanten Strom versorgt, über dessen Stromstärke die Temperatur des Schweißelements eingestellt wird.
Erfindungsgemäß können nun diese Nebenaggregate mittels eines Frequenzumrichters gesteuert werden. Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter weist einen speziellen Modus in Form der Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart auf, mittels der eine elektrische Last mit einem definierten Strom oder einer definierten Spannung und einer definierten Frequenz stimuliert werden kann. Die genannten Größen sind aus diesem Grund als von einem Benutzer einstellbare Parameter ausgeführt. Die Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart ist beispielsweise mittels eines Befehls aktivierbar. Mittels dieser Betriebsart und geeigneter Einstellung der Parameter sind mittels des Frequenzumrichters zwei voneinander unabhängige Konstantstromquellen realisierbar, die unter Anderem zur Steuerung von Heizelementen verwendet werden können.
Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter ist zum Speisen eines 3-phasigen elektrischen Systems ausgebildet und verwendet herkömmliche Gleichungssysteme, um ein 3-phasiges Strom- oder Spannungssystem durch ein 2-phasiges orthogonales System (Sinus, Kosinus) oder in Polar-Darstellung (Betrag und Winkel) zu beschreiben. Diese Gleichungen sind fest im Frequenzumrichter hinterlegt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Basierend auf den im Frequenzumrichter gespeicherten Gleichungssystemen kann die erfindungsgemäße Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart realisiert werden. Die erfindungsgemäße Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart kann beispielsweise 3 von einem Benutzer einstellbare Parameter aufweisen, mittels der die Länge eines Stromzeigers, d.h. dessen Amplitude, die Frequenz des Stromzeigers und eine Anfangslage (Startwinkel) des Stromzeigers angegeben werden. Dies erlaubt es, in 2 Phasen den Strom unabhängig voneinander zu regeln. Der dritte Strom ergibt sich als Summe der beiden anderen Ströme.
Die oben genannten Parameter Frequenz, Amplitude und Startwinkel können beispielsweise nach folgenden Gleichungen eingestellt werden, wobei die Ströme i1 und i2 die Sollwerte der beiden Ströme durch die elektrischen Verbraucher sind

Frequenz:: 0 Hz
Amplitude:: $\frac{2}{\sqrt{3}} \sqrt{i 1^{2} + i 1 i 2 + i 2^{2}}$
Startwinkel:: $a r c t a n (\frac{i 1 + 2 i 2}{\sqrt{3} i 1})$

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch ein Schaltbild eines Systems mit einem erfindungsgemäßen Frequenzumrichter und zwei mittels des Frequenzumrichters gespeisten elektrischen Verbrauchern.

1 zeigt schematisch ein Schaltbild eines Systems 1000 mit einem erfindungsgemäßen Frequenzumrichter 100 und zwei mittels des Frequenzumrichters gespeiste elektrische Verbraucher 11, 12 und 13, 14.
Der Frequenzumrichter 100 weist eine erste Halbrückenschaltung 1 auf, die herkömmlich zwei ansteuerbare Halbleiterschaltmittel 19 und 20 aufweist, die in Reihe zwischen einen positiven Zwischenkreispol DC+ und einen negativen Zwischenkreispol DC- eingeschleift sind. Die erste Halbbrückenschaltung 1 weist einen Mittenabgriff 2 auf, der durch eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Halbleiterschaltmitteln 19 und 20 gebildet ist. Der Mittenabgriff 2 der ersten Halbrückenschaltung 1 ist mit einem ersten Ausgangsanschlusspol 3 des Frequenzumrichters 100 elektrisch verbunden.
Der Frequenzumrichter 100 weist weiter eine zweite Halbrückenschaltung 4 auf, die herkömmlich zwei ansteuerbare Halbleiterschaltmittel 21 und 22 aufweist, die in Reihe zwischen den positiven Zwischenkreispol DC+ und den negativen Zwischenkreispol DC- eingeschleift sind. Die zweite Halbbrückenschaltung 4 weist einen Mittenabgriff 5 auf, der durch eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Halbleiterschaltmitteln 21 und 22 gebildet ist. Der Mittenabgriff 5 der zweiten Halbrückenschaltung 4 ist mit einem zweiten Ausgangsanschlusspol 6 des Frequenzumrichters 100 elektrisch verbunden.
Der Frequenzumrichter 100 weist weiter eine dritte Halbrückenschaltung 7 auf, die herkömmlich zwei ansteuerbare Halbleiterschaltmittel 23 und 24 aufweist, die in Reihe zwischen den positiven Zwischenkreispol DC+ und den negativen Zwischenkreispol DC- eingeschleift sind. Die dritte Halbbrückenschaltung 7 weist einen Mittenabgriff 8 auf, der durch eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Halbleiterschaltmitteln 23 und 24 gebildet ist. Der Mittenabgriff 8 der dritten Halbrückenschaltung 7 ist mit einem dritten Ausgangsanschlusspol 9 des Frequenzumrichters 100 elektrisch verbunden.
Der Frequenzumrichter 100 weist weiter eine Steuereinheit 10, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, auf, die bzw. der dazu ausgebildet ist, die Halbleiterschaltmittel 19 bis 24 der Halbrückenschaltungen 1, 4, 7 anzusteuern.
In den Brückenzweigen 1, 4, 7 sind herkömmlich Shunt-Widerstände 16, 17, 18 vorgesehen, mittels der die Steuereinheit 10 herkömmlich eine Stromregelung realisieren kann.
Zwischen den ersten Ausgangsanschlusspol 3 und den dritten Ausgangsanschlusspol 9 des Frequenzumrichters 100 ist der erste elektrische Verbraucher in Form einer Induktivität 11 in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 12 angeschlossen bzw. eingeschleift. Zwischen den zweiten Ausgangsanschlusspol 6 und den dritten Ausgangsanschlusspol 9 des Frequenzumrichters 100 ist der zweite elektrische Verbraucher in Form einer Induktivität 13 in Reihe mit einem ohmschen Widerstand 14 angeschlossen bzw. eingeschleift. Die erste Induktivität 11 und die zweite Induktivität 13 können beispielsweise parasitäre Induktivitäten abbilden, die beispielsweise durch lange Anschlusskabel verursacht sind. Die erste Induktivität 11 und die zweite Induktivität 13 können zusätzlich oder alternativ auch induktive Bauelemente, beispielsweise Spulen, abbilden.
Die Steuereinheit 10 ist dazu ausgebildet, die Halbleiterschaltmittel 19 bis 24 der Halbrückenschaltungen 1, 4, 7 derart anzusteuern, dass zwischen dem ersten Ausgangsanschlusspol 3 und dem dritten Ausgangsanschlusspol 9 eine erste gepulste Spannung U1 ausgegeben wird, und zwischen dem zweiten Ausgangsanschlusspol 6 und dem dritten Ausgangsanschlusspol 9 eine zweite gepulste Spannung U2 ausgegeben wird, und zwar derart, dass sich durch den ersten elektrischen Verbraucher 11, 12 ein Strom i1 mit einer einstellbaren ersten Stromstärke einstellt, und dass sich durch den zweiten elektrischen Verbraucher 13, 14 ein Strom i2 mit einer einstellbaren zweiten Stromstärke einstellt.
Der Frequenzumrichter 100 stellt hierzu in der Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart drei durch einen Benutzer einstellbare Parameter zur Verfügung, nämlich Frequenz eines mittels des Frequenzumrichters 100 erzeugten Stromzeigers, Amplitude des mittels des Frequenzumrichters 100 erzeugten Stromzeigers und Startwinkel des mittels des Frequenzumrichters 100 erzeugten Stromzeigers. Bei vorgegebener Stromstärke der Ströme i1 und i2 berechnen sich die Parameter wie folgt:

Neben der Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart weist der Frequenzumrichter 100 eine Drehstrom-Betriebsart auf, bei der die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die Halbleiterschaltmittel 19 bis 24 der Halbrückenschaltungen 1, 4, 7 derart anzusteuern, dass zwischen dem ersten Ausgangsanschlusspol 3, dem zweiten Ausgangsanschlusspol 6 und dem dritten Ausgangsanschlusspol 9 Wechselspannungen mit einstellbarer Frequenz und Amplitude zum Ansteuern eines Elektromotors 15 ausgegeben werden.
Der Elektromotor 15 ist hierzu mit seinen Phasenanschlüssen u, v, w mit einem korrespondierenden Ausgangsanschlusspol der Ausgangsanschlusspole 3, 6, bzw. 9 elektrisch verbunden. Dies entspricht dem Stand der Technik und wird daher nicht näher beschrieben.

Claims

Frequenzumrichter (100), aufweisend: - eine erste Halbrückenschaltung (1) mit einem Mittenabgriff (2), wobei der Mittenabgriff (2) der ersten Halbrückenschaltung (1) mit einem ersten Ausgangsanschlusspol (3) des Frequenzumrichters (100) elektrisch verbunden ist, - eine zweite Halbrückenschaltung (4) mit einem Mittenabgriff (5), wobei der Mittenabgriff (5) der zweiten Halbrückenschaltung (4) mit einem zweiten Ausgangsanschlusspol (6) des Frequenzumrichters (100) elektrisch verbunden ist, - eine dritte Halbrückenschaltung (7) mit einem Mittenabgriff (8), wobei der Mittenabgriff (8) der dritten Halbrückenschaltung (7) mit einem dritten Ausgangsanschlusspol (9) des Frequenzumrichters (100) elektrisch verbunden ist, und - eine Steuereinheit (10), die dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbrückenschaltung (1, 4, 7) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (100) eine Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart aufweist, bei der - an den ersten Ausgangsanschlusspol (3) und an den dritten Ausgangsanschlusspol (9) ein erster elektrischer Verbraucher (11, 12) anschließbar ist, - an den zweiten Ausgangsanschlusspol (6) und an den dritten Ausgangsanschlusspol (9) ein zweiter elektrischer Verbraucher (13, 14) anschließbar ist, und - die Steuereinheit (10) dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbrückenschaltung (1, 4, 7) derart anzusteuern, dass zwischen dem ersten Ausgangsanschlusspol (3) und dem dritten Ausgangsanschlusspol (9) eine erste gepulste Spannung (U1) ausgegeben wird, und zwischen dem zweiten Ausgangsanschlusspol (6) und dem dritten Ausgangsanschlusspol (9) eine zweite gepulste Spannung (U2) ausgegeben wird.
Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (10) in der Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart dazu ausgebildet ist, die dritte Halbbrückenschaltung (7) derart anzusteuern, dass am dritten Ausgangsanschlusspol (9) ein zeitlich konstantes Potential, insbesondere ein negatives Zwischenkreispotential, ausgegeben wird.
Frequenzumrichter (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (10) in der Konstantstrom/Konstantspannungs-Betriebsart dazu ausgebildet ist, die erste gepulste Spannung (U1) derart zu erzeugen, dass sich durch den ersten elektrischen Verbraucher (11, 12) ein Strom (i1) mit einer einstellbaren ersten Stromstärke einstellt und/oder die zweite gepulste Spannung (U2) derart zu erzeugen, dass sich durch den zweiten elektrischen Verbraucher (13, 14) ein Strom (i2) mit einer einstellbaren zweiten Stromstärke einstellt.
Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzumrichter (100) eine Drehstrom-Betriebsart aufweist, bei der die Steuereinheit (100) dazu ausgebildet ist, die erste, die zweite und die dritte Halbrückenschaltung (1, 4, 7) derart anzusteuern, dass zwischen dem ersten Ausgangsanschlusspol (3), dem zweiten Ausgangsanschlusspol (6) und dem dritten Ausgangsanschlusspol (9) Wechselspannungen mit einstellbarer Frequenz und Amplitude zum Ansteuern eines Elektromotors (15) ausgegeben werden.
System (1000), aufweisend: - einen ersten elektrischen Verbraucher (11, 12) und/oder - einen zweiten elektrischen Verbraucher (13, 14), und - einen Frequenzumrichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an den ersten Ausgangsanschlusspol (3) und an den dritten Ausgangsanschlusspol (9) des Frequenzumrichters (100) der erste elektrische Verbraucher (11, 12) angeschlossen ist, und an den zweiten Ausgangsanschlusspol (6) und an den dritten Ausgangsanschlusspol (9) des Frequenzumrichters (100) der zweite elektrische Verbraucher (13, 14) angeschlossen ist.