DE10248971A1

DE10248971A1 - Frequenzumrichter für einen drehstrombetriebenen Motor, insbesondere eines Hebezeugs

Info

Publication number: DE10248971A1
Application number: DE10248971A
Authority: DE
Inventors: Erik Appel; Holger Freitag; Michael Dr. Koepke; Giuliano Persico; Martin. Dr. März; Ernst Schimanek
Original assignee: Demag Cranes and Components GmbH
Current assignee: Demag Cranes and Components GmbH
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter für einen drehstrombetriebenen Motor, insbesondere eines Hebezeugs, DOLLAR A mit einem Gleichrichter (1) zur Umwandlung der drei Spannungsphasen (L1, L2, L3) eines Drehstromnetzes in eine Gleichspannung, mit einem einen Energiespeicher bildenden Zwischenkreis (5) zur Glättung der Gleichspannung, mit einem Wechselrichter (7) zur Umwandlung der Gleichspannung in drei Spannungsphasen (U, V, W) eines Drehstroms. Um unerwünschte Netzrückwirkungen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Gleichrichter (1) und dem Zwischenkreis (5) ein Tiefsetzsteller (4) geschaltet ist, der eine Spannungsregelung umfasst, welche den Istwert der Zwischenkreisspannung herabsetzt und zeitlich konstant hält, indem er den Energiespeicher des Zwischenkreises (5) jeweils durch Regelung der Stromzufuhr über den Hauptstrompfad auf einem vorgegebenen Energieniveau hält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter für einen drehstrombetriebenen Motor, insbesondere eines Hebezeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Frequenzumrichter mit einem Zwischenkreis für drehstrombetriebene Motoren sind allgemein bekannt. Der Zwischenkreis wird dabei jeweils durch die gleichgerichtete ein- oder mehrphasige Netzspannung gespeist, wodurch die Zwischenkreisgleichspannung direkt von der Netzspannung abhängig ist. Um die Motoren mit variabler Drehzahl an Drehstromnetzen mit unterschiedlichen Netzspannungen (Netzwechselspannungen) betreiben zu können, sind deshalb sowohl eine Anpassung der Wicklungen des Motors als auch eine entsprechende Dimensionierung der Bauelemente des Frequenzumrichters an die jeweils zur Verfügung stehende Netzspannung notwendig. Die Motorwicklungen benötigen bei hohen Netzspannungen eine verstärkte Phasenisolierung wegen der beim Motorbetrieb auftretenden größeren Spannungssprünge. Weiter sind bei hohen Netzspannungen für den Frequenzumrichter speziell ausgebildete Bauelemente erforderlich. Die üblicherweise auftretenden Netzspannungsschwankungen erfordern relativ weit auseinanderliegende Toleranzgrenzen, weshalb die Frequenzumrichter meist entsprechend überdimensioniert sind. So fließen bei einer Netzspannung im Bereich der unteren Toleranzgrenze bei einer vorgegebenen Ausgangsleistung hohe Ströme, was entsprechende Anforderungen an die Strombelastbarkeit der Bauelemente (Dioden, Filter, Zwischenkreiselektrolytkondensator, Kühlkörper) des Frequenzumrichters stellt. Liegt die Netzspannung dagegen an der oberen Toleranzgrenze, so müssen die Bauelemente entsprechend spannungsfest sein. Auch ist der Frequenzumrichter jeweils für Netzüberspannungen (surges) auszulegen.
Die Motoren und die Frequenzumrichter werden deshalb jeweils für vorgegebene Netzspannungsbereiche ausgelegt.

Aus der EP 1 087 513 A2 ist ein Frequenzumrichter für einen Drehstrommotor bekannt, der einen Gleichrichter für die dreiphasige Netzspannung, einen Zwischenkreis zur Glättung der Gleichspannung und einen Wechselrichter zur Rückumwandlung der Gleichspannung in ein dreiphasiges Drehstromsystem aufweist. Zur Regelung der Zwischenkreisspannung auf einen zeitliche konstanten Wert ist ein Inverssteller (Buck-Boost-Konverter) vorgesehen. Bei diesem Frequenzumrichter liegt der Fußpunkt (Bezugspunkt) des Halbleiterschalters des Inverswandlers auf dem negativen Potential des Zwischenkreises. Das hat den Vorteil, dass die Ansteuerung dieses Schalters schaltungstechnisch einfach zu realisieren ist.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass das negative Potential des Zwischenkreises mit hohen Spannungssteilheiten umgeschaltet wird, was zu starken Netzrückwirkungen führen kann.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, Netzrückwirkungen zu vermeiden.

Der Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen des Frequenzumrichters.

Die Lösung sieht vor, dass zwischen dem Gleichrichter und dem Zwischenkreis ein Tiefsetzsteller geschaltet ist, der eine Spannungsregelung umfasst, welche den Istwert der Zwischenkreisspannung herabsetzt und zeitlich konstant hält, indem er den Energiespeicher des Zwischenkreises jeweils durch Regelung der Stromzufuhr über den Hauptstrompfad auf einem vorgegebenen Energieniveau (oder Spannungsniveau) hält. Die Gleichspannung des Zwischenkreises wird also abgesenkt und konstant gehalten, so dass anstelle von teuren Bauelementen für hohe Spannungen kostengünstige Bauelemente für niedrige Spannungen verwendet werden können. Als Zwischenkreisspannung wird vorteilhafterweise ein Niveau von 360 – 380 Volt gewählt. Der Tiefsetzsteller erzeugt eine Ausgangsspannung, die stets niedriger als die gleichzurichtende Eingangsnetzspannung ist. Damit eignet sich der Frequenzumsetzer auch für instabile und/oder mit transienten Überspannungen verseuchte Netze, z.B. Industrienetze mit geschalteten großen Verbrauchern.

Bei einem kostengünstig aufgebauten Frequenzumrichter mit Tiefsetzsteller umfasst die Spannungsregelung des Zwischenkreises eine Regelungseinheit, welche den Stromdurchgang durch eine der beiden einen Hauptstrompfad bildenden Zuführungsleitungen des Zwischenkreises derart steuert, dass keine Abweichung der Zwischenkreisspannung von einem vorgegebenen Sollwert auftritt.

Bei einem einfachen Tiefsetzsteller ist der Stromdurchgang durch einen Halbleiterschalter gebildet, der durch die Regelungseinheit entsprechend angesteuert wird. Wird der Halbleiterschalter im Hauptstrompfad abgeschaltet, können alle nachfolgenden Schaltungsteile effektiv vor Überspannungen geschützt werden.

Ein kostengünstiger und einfach aufgebauter Tiefsetzsteller ergibt sich, wenn die Regelungseinheit den Halbleiterschalter mit Impulsen ansteuert.

Im einfachsten Fall erfolgt die Steuerung des Halbleiterschalters durch eine Änderung des Tastverhältnisses der Ansteuerimpulse und/oder der Tastfrequenz.

Bei niedrigen Netzspannungen unterhalb des gewünschten Zwischenkreis-Spannungsniveaus wird vorgeschlagen, dass anstelle des Tiefsetzstellers ein Hoch/Tiefsetzsteller zur Erhöhung als auch zur Herabsetzung der vom Gleichrichter abgegebenen Gleichspannung geschaltet ist, wobei Erhöhung und die Herabsetzung jeweils davon abhängig ist, ob die Netzspannung unterhalb oder oberhalb des Zwischenkreis-Spannungsniveaus liegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beschrieben.
Die einzige Figur zeigt einen Frequenzumrichter schematisch in einem Blockschaltbild, der einen Gleichrichter 1 zur Umwandlung der drei Spannungsphasen L1, L2, L3 eines Drehstromsystems, hier eines Drehstromnetzes, in eine Gleichspannung umfasst, die im Allgemeinen noch etwas pulsiert. Hierzu weist der Gleichrichter 1 entsprechend geschaltete Dioden 2 auf. Weiter gehört zum Gleichrichter 1 noch ein Kondensator 3. An den Gleichrichter 1 schließt sich ein Tiefsetzsteller 4 mit einem ausgangsseitigen Elektrolytkondensator 6a an. Der nachfolgende Zwischenkreis 5 ist hier als Elektrolytkondensator 6b dargestellt; er bildet einen Energiespeicher und dient zur Glättung der Gleichspannung. Die Zwischenkreisspannung wird von einem schematisch dargestellten Wechselrichter 7 in ein Drehstromsystem mit den drei Spannungsphasen U, V, W umgesetzt.
Selbstverständlich sind die beiden Elektrolytkondensatoren 6a, 6b meist als ein einziger Elektrolytkondensator ausgebildet.
Der zwischen dem Gleichrichter 1 und dem Zwischenkreis 5 geschaltete Tiefsetzsteller 4 weist einen Halbleiterschalter 8 (hier ausgebildet als IGBT = Integrated Gate Bipolar Transistor) auf, welcher in einem Hauptstrompfad liegt, nämlich in einer Zuführungsleitung 9 des Zwischenkreises 5, in der auch die nachgeschaltete Drosselspule 3a liegt. Die Diode D1 fängt durch die Drosselspule 3a bedingte Spannungssprünge auf; das Abschalten erfolgt bei Bedarf durch den IGBT. Der Kondensator 3 des Gleichrichters 1 dient zur Glättung der durch den IGBT erzeugten Störungen (Netzrückwirkungen). Der Halbleiterschalter 8 "schwimmt" hierbei auf dem (hohen) Spannungspotential 9a. Der Stromdurchgang durch den IGBT wird derart gesteuert, dass der einen Energiespeicher bildende Zwischenkreis 5 auf einem vorgegebenen Energie- bzw. Spannungsniveau gehalten wird. Hierzu wird jeweils der Ladestrom des Kondensators 6b (und gleichzeitig des Kondensators 6a) derart geregelt, dass keine Abweichung der Zwischenkreisspannung von einem vorgegebenen Sollwert auftritt. Diese Spannungsregelung umfasst eine Steuerungs- und Überwachungseinheit 10, welche die Zwischenkreisspannung jeweils erfasst und in Abhängigkeit von einem Sollwert ein Steuerungssignal an eine Regelungseinheit 11 abgibt. Die Regelungseinheit 11 wiederum steuert den IGBT impulsmäßig an, wobei sie das Tastverhältnis der Ansteuerimpulse ändert. Es ist aber auch möglich, die Tastfrequenz entsprechend zu ändern.
Durch die Spannungsregelung wird die Zwischenkreisspannung herabgesetzt und unabhängig von der Belastung zeitlich konstant gehalten.
Bei niedrigen Netzspannungen unterhalb des vorgegebenen Zwischenkreis-Spannungsniveaus kann ein Hoch/Tiefsetzsteller anstelle des Tiefsetzstellers 4 verwendet werden, der zur Erhöhung als auch zur Herabsetzung der vom Gleichrichter 1 abgegebenen Gleichspannung dient, jeweils abhängig davon, ob die Netzspannung unterhalb oder oberhalb des Zwischenkreis-Spannungsniveaus liegt. Der Hoch/Tiefsetzsteller verfügt gegenüber dem Tiefsetzsteller 4 zusätzlich über eine Hochsetzfunktion, wobei die Tiefsetz- und die Hochsetzfunktion selbsttätig wechselweise schaltbar sind.
Durch Abschalten des IGBTs (Halbleiterschalter 8) kann der Frequenzumrichter von den Spannungsphasen L1, L2, L3 getrennt werden.

1: Gleichrichter
2: Diode
3: Kondensator
4: Tiefsetzsteller
5: Zwischenkreis
6a: Elektrolytkondensator
6b: Elektrolytkondensator
7: Wechselrichter
8: Halbleiterschalter
9: Zuführungsleitung
9a: Spannungspotential
10: Überwachungseinheit
11: Regelungseinheit
L1, L2, L3: Spannungsphasen
U, V, W: Spannungsphasen
D1: Diode

Claims

Frequenzumrichter für einen drehstrombetriebenen Motor, insbesondere eines Hebezeugs, mit einem Gleichrichter (1) zur Umwandlung der drei Spannungsphasen (L1, L2, L3) eines Drehstromnetzes in eine Gleichspannung, mit einem einen Energiespeicher bildenden Zwischenkreis (5) zur Glättung der Gleichspannung, mit einem Wechselrichter (7) zur Umwandlung der Gleichspannung in drei Spannungsphasen (U, V, W) eines Drehstroms, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleichrichter (1) und dem Zwischenkreis (5) ein Tiefsetzsteller (4) geschaltet ist, der eine Spannungsregelung umfasst, welche den Istwert der Zwischenkreisspannung herabsetzt und zeitlich konstant hält, indem er den Energiespeicher des Zwischenkreises (5) jeweils durch Regelung der Stromzufuhr über den Hauptstrompfad auf einem vorgegebenen Energieniveau hält.
Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsregelung eine Regelungseinheit (11) umfasst, welche den Stromdurchgang durch eine der beiden einen Hauptstrompfad bildenden Zuführungsleitungen (9) des Zwischenkreises (5) derart steuert, dass eine Abweichung der Zwischenkreisspannung von einem vorgegebenen Sollwert jeweils verschwindet.
Frequenzumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromdurchgang durch einen Halbleiterschalter (8) gebildet ist, der durch die Regelungseinheit (11) entsprechend angesteuert wird.
Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit (11) den Halbleiterschalter (8) impulsmäßig ansteuert.
Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Halbleiterschalters (8) durch eine Änderung des Tastverhältnisses der Ansteuerimpulse und/oder der Tastfrequenz erfolgt.
Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Tiefsetzstellers (4) ein Hoch/Tiefsetzsteller (4) zur Erhöhung als auch zur Herabsetzung der vom Gleichrichter (1) abgegebenen Gleichspannung geschaltet ist, jeweils abhängig davon, ob die Netzspannung unterhalb oder oberhalb des Zwischenkreis-Spannungsniveaus liegt.