DE19703617A1 - Drive unit for industrial installations, particularly those producing basic materials - Google Patents

Drive unit for industrial installations, particularly those producing basic materials

Info

Publication number
DE19703617A1
DE19703617A1 DE1997103617 DE19703617A DE19703617A1 DE 19703617 A1 DE19703617 A1 DE 19703617A1 DE 1997103617 DE1997103617 DE 1997103617 DE 19703617 A DE19703617 A DE 19703617A DE 19703617 A1 DE19703617 A1 DE 19703617A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
power
power semiconductors
drive device
temperature
semiconductors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE1997103617
Other languages
German (de)
Inventor
Hans-Peter Timmert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE1997103617 priority Critical patent/DE19703617A1/en
Priority to CN98104384A priority patent/CN1192082A/en
Publication of DE19703617A1 publication Critical patent/DE19703617A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B37/00—Control devices or methods specially adapted for metal-rolling mills or the work produced thereby
    • B21B37/46—Roll speed or drive motor control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/1216—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for AC-AC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/085—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors against excessive load
    • H02H7/0856—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors against excessive load characterised by the protection measure taken
    • H02H7/0858—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors against excessive load characterised by the protection measure taken by reversing, cycling or reducing the power supply to the motor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

The electric drive unit for parts of industrial installations (such as, for example, rolling mills) includes at least one electric motor (particularly in a megawatt range) and at least one converter with power semiconductors between the energy supply grid and the electric motor. The converter controls the speed of rotation, the torque and/or the output power of the motor. The drive unit includes a computer which calculates and controls, in particular, on-line the temperature of the power semiconductors. If a certain critical temperature is exceeded, the computer reduces the speed of rotation, the torque and/or the output power of the motor in such a way that overheating of the power semiconductors is prevented.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung für Teile von Industrieanlagen, insbesondere für Anlagen der Grundstoffindustrie, mit zumindest einem Elektromotor und zu­ mindest einem Umrichter.The invention relates to an electric drive device for parts of industrial plants, in particular for plants of Basic industry, with at least one electric motor and too at least one converter.

Bei der Auslegung von Umrichtern für Hochleistungsantriebe für Industrieanlagen, z. B. für Walzwerksanwendung, ist von einem fiktiven Betriebsfall auszugehen. Die Dimensionierung muß immer für die angenommene ungünstigste Belastung im schwersten Betriebsfall bei maximaler Umgebungstemperatur bzw. maximaler Kühlmitteltemperatur erfolgen. Hierfür wird für eine gewählte Vorbelastung die Überlastbarkeit für eine bestimmte Zeitspanne festgelegt, die aus dem Erreichen der zulässigen Maximaltemperatur der Leistungshalbleiter der Um­ richter resultiert.When designing inverters for high-performance drives for industrial plants, e.g. B. for rolling mill application is from to assume a fictitious operating case. The dimensioning must always for the assumed most unfavorable burden in most severe operation at maximum ambient temperature or maximum coolant temperature. For this will for a selected preload, the overload capacity for a certain period of time set from reaching the permissible maximum temperature of the power semiconductors of the Um judge results.

Eine Messung der Temperatur der thermisch kritischen Sperr­ schicht der Leistungshalbleiter ist für oben bezeichnete An­ wendung unter zumutbarem Aufwand nicht möglich. Hinzu kommt, daß Stromrichter mit modernen Halbleitern, z. B. abschaltbaren Thyristoren, bei Überlastung thermisch kritischer sind als Stromrichtervarianten mit konventioneller Thyristorbestüc­ kung. Dies resultiert aus der Betriebsweise dieser Halblei­ ter, die den durch sie fließenden Strom aktiv unterbrechen, was neben den Durchlaufsverlusten zu zusätzlichen Schaltver­ lusten führt. Je höher die Schaltfrequenz der Halbleiter ist, um so größer ist der Anteil dieser Schaltverluste an den Ge­ samtverlusten. Bei einer Auslegung für den schwersten Be­ triebsfall werden insbesondere abschaltbare Thyristoren unter üblichen Betriebsbedingungen nur unzureichend ausgelastet. Dies resultiert insbesondere daraus,
A measurement of the temperature of the thermally critical barrier layer of the power semiconductor is not possible for the above-mentioned application with reasonable effort. In addition, converters with modern semiconductors, for. B. thyristors that can be switched off, are thermally more critical when overloaded than converter variants with conventional thyristor configuration. This results from the mode of operation of these semiconductors, which actively interrupt the current flowing through them, which, in addition to the throughput losses, leads to additional switching losses. The higher the switching frequency of the semiconductors, the greater the proportion of these switching losses in the total losses. In the case of a design for the most severe operating situation, thyristors in particular which can be switched off are underused under normal operating conditions. This results in particular from

  • - daß die Schaltfrequenz der Halbleiter nicht fest ist, son­ dern automatisch für die Betriebsverhältnisse optimal ange­ paßt wird,- That the switching frequency of the semiconductors is not fixed, son automatically optimally adjusted for the operating conditions fits,
  • - daß die Vorbelastung vor einer Überlast in Höhe und Dauer variieren kann,- That the preload before an overload in amount and duration can vary
  • - daß Höhe und Dauer der Überlast variieren können und- That the amount and duration of the overload can vary and
  • - daß die Kühlmitteltemperatur bzw. die Umgebungstemperatur nur selten ihren Maximalwert erreicht.- That the coolant temperature or the ambient temperature rarely reaches its maximum value.

Diese Randbedingungen führen zu einer Halbleitertemperatur, die häufig deutlich unterhalb der spezifizierten Grenztempe­ ratur liegt, bei der der Leistungshalbleiter überhitzt wird. Eine Nutzung dieser schwankenden Reserve ist jedoch nur unter dem Risiko des Ausfalls des Stromrichters und daraus resul­ tierendem Anlagenstillstand möglich.These boundary conditions lead to a semiconductor temperature, which are often well below the specified limit temperature temperature is at which the power semiconductor is overheated. Use of this fluctuating reserve is only under the risk of failure of the converter and the result System downtime possible.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische An­ triebseinrichtung für Industrieanlagen, insbesondere für An­ lagen der Grundstoffindustrie, wie z. B. Walzwerken, mit Um­ richter gespeisten Elektromotoren anzugeben, bei der die Lei­ stungshalbleiter der Umrichter besser ausgenutzt werden, als bei bekannten elektrischen Antrieben für Teile von Industrie­ anlagen. The object of the invention is therefore an electrical Drive device for industrial plants, in particular for An were the raw materials industry, such. B. rolling mills, with order Specify electric motors fed by the judge, in which the Lei power semiconductor of the converter can be better used than in known electrical drives for parts of industry Investments.  

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische An­ triebseinrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.The object is achieved by an electrical drive device according to claim 1 or by a method solved according to claim 17.

Dabei weist die Antriebseinrichtung eine Rechnereinrichtung auf, die die Temperatur der Leistungshalbleiter, insbesondere on-line, berechnet und überwacht und die bei Überschreiten einer kritischen Temperatur in den Leistungshalbleitern die Drehzahl, das Drehmoment und somit die Wirkleistungsaufnahme des Elektromotors derart verringert, daß ein Überhitzen der Leistungshalbleiter verhindert wird. Die Recheneinheit kann als Einchiprechner, z. B. als Mikrocontroller oder als Mehr­ chiprechner, insbesondere als ein Einplatinenrechner, oder Automatisierungsgerät, ausgebildet sein. In Ausbildung als Automatisierungsgerät kommen insbesondere speicherprogram­ mierbare Steuerungen, VME Bussysteme oder Industrie-PCs in Frage. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Berechnung und Überwachung der Temperaturen der Leistungshalbleiter bzw. ih­ rer Sperrschichten auf eine Hardware-Plattform zu implemen­ tieren, auf der bereits andere Steuerungs- bzw. Regelungsauf­ gaben für den Umrichter oder für Teile der Industrieanlage implementiert sind. Die Recheneinrichtung kann auch vorteil­ hafterweise eine Gatterschaltung gemäß Fig. 3 oder einen ASIC zur Durchführung der notwendigen Rechneroperationen aufwei­ sen.The drive device has a computer device which calculates and monitors the temperature of the power semiconductors, in particular online, and which, when a critical temperature in the power semiconductors is exceeded, reduces the speed, the torque and thus the active power consumption of the electric motor in such a way that overheating of the Power semiconductor is prevented. The computing unit can be a single-chip computer, e.g. B. as a microcontroller or as a multi-chip computer, in particular as a single-board computer, or automation device. In training as an automation device, programmable logic controllers, VME bus systems or industrial PCs are particularly suitable. In this case, it is advantageous to implement the calculation and monitoring of the temperatures of the power semiconductors or their barrier layers on a hardware platform on which other control or regulation tasks for the converter or for parts of the industrial plant have already been implemented. The computing device can also advantageously have a gate circuit according to FIG. 3 or an ASIC for performing the necessary computer operations.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung werden die Leistungs­ halbleiter der Umrichter deutlich besser ausgenutzt als dies mit den bekannten elektrischen Antrieben für Teile von Indu­ strieanlagen möglich ist. Dabei kommt die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung besonders vorteilhaft für Antriebe in ei­ nem Leistungsbereich von 1-20 MW, vorteilhafterweise von 2-10 MW, bzw. in bezug auf Stoßlast für einen Leistungsbe­ reich von 2-30 MW, vorteilhafterweise von 4-20 MW zum Ein­ satz. Für derartige Antriebseinrichtungen führt die bessere Ausnutzung der Umrichter zu einer deutlichen Kostenersparnis. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Tempe­ ratur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Lei­ stungshalbleiter in Abhängigkeit der Schalt- und/oder der Durchlaßverluste in den Halbleitern berechnet. Diese Berech­ nung erfolgt vorteilhafterweise in Abhängigkeit des Stroms durch die Leistungshalbleiter, der Schaltzustände der Lei­ stungshalbleiter, der Ein- und Ausschalttransitionen und von Parametern der Leistungshalbleiter. Diese Größen haben sich als besonders vorteilhaft zur präzisen Berechnung der Tempe­ ratur der Sperrschicht in den Leistungshalbleitern erwiesen. Ferner wird die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter vorteilhafterweise in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bzw. - bei Kühlung der Leistungshalbleiter mit einem Kühlmittel - in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur berechnet.Through the device according to the invention, the performance semiconductor the converter is used much better than this with the known electrical drives for parts from Indu is possible. Here comes the invention  Drive device particularly advantageous for drives in egg Power range from 1-20 MW, advantageously from 2-10 MW, or in relation to impact load for a power application range from 2-30 MW, advantageously from 4-20 MW to one sentence. The better leads for such drive devices Utilization of the inverters for significant cost savings. In an advantageous embodiment of the invention, the tempe rature of the power semiconductors or the barrier layer of the Lei device semiconductors depending on the switching and / or Forward losses in the semiconductors are calculated. This calc voltage is advantageously dependent on the current through the power semiconductors, the switching states of the Lei device semiconductors, the switch-on and switch-off transitions and of Power semiconductor parameters. These sizes have as particularly advantageous for the precise calculation of the tempe temperature of the barrier layer in the power semiconductors. Furthermore, the temperature of the power semiconductor or Power semiconductor junction advantageously in Dependence of the ambient temperature or - when cooling the Power semiconductors with a coolant - depending the coolant temperature.

Der Umrichter der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung kann auch als luftgekühlter Umrichter ausgeführt sein. Dabei hat es sich überraschenderweise gezeigt, daß die Temperatur der Sperrschicht der Leistungshalbleiter auch bei luftgekühlten Umrichtern präzise berechenbar ist.The converter of the drive device according to the invention can can also be designed as an air-cooled converter. Doing it has surprisingly been shown that the temperature of the Barrier layer of the power semiconductors even with air-cooled Inverters can be calculated precisely.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Tempe­ ratur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Lei­ stungshalbleiter mittels einer thermischen Ersatzschaltung der Leistungshalbleiter berechnet. In die thermische Ersatz­ schaltung werden dabei vorteilhafterweise benachbarte Bautei­ le, insbesondere Bauteile, mit denen sie in Berührung stehen, aufgenommen. Derartige Bauteile können andere Halbleiter sein oder konstruktive Teile wie z. B. Kühlkörper.In an advantageous embodiment of the invention, the tempe rature of the power semiconductors or the barrier layer of the Lei device semiconductor by means of a thermal equivalent circuit  the power semiconductor is calculated. In the thermal replacement circuit advantageously adjacent building component le, in particular components with which they are in contact, added. Such components can be other semiconductors or structural parts such. B. Heatsink.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter vorausschauend berechnet.In a further advantageous embodiment of the invention the temperature of the power semiconductors or the barrier layer the power semiconductor is calculated proactively.

Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung hat sich weiterhin als besonders vorteilhaft in Verbindung mit Drehstrommotoren in Tandemschaltung erwiesen, d. h. bei Schaltungen, bei der der Drehstrommotor offene Wicklungen aufweist, die beidseitig von Umrichtern gespeist werden.The drive device according to the invention has continued as particularly advantageous in connection with three-phase motors proven in tandem, d. H. in circuits where the three-phase motor has open windings on both sides are fed by inverters.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem kommt ferner besonders vorteilhaft zum Antrieb von Walzgerüsten einer Walzstraße zur Anwendung.The drive system according to the invention also comes in particular advantageous for driving roll stands of a rolling mill Application.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Unteransprü­ chen. Im einzelnen zeigen:Further advantages and inventive details emerge from the following description of exemplary embodiments, based on the drawings and in connection with the dependent claims chen. In detail show:

Fig. 1 den Einsatz einer erfindungsgemäßen Antriebseinrich­ tung in einer Walzstraße, Fig. 1 shows the use of a Antriebseinrich invention tung in a rolling mill,

Fig. 2 die funktionalen Zusammenhänge für die erfindungsge­ mäße Berechnung der Temperatur von Leistungshalblei­ tern bzw. ihrer Sperrschicht, Fig. 2 shows the functional relationships for the calculation of the temperature erfindungsge Permitted tern of Leistungshalblei or its barrier layer,

Fig. 3 ein Rechenwerk zur Bestimmung der Temperatur von Lei­ stungshalbleitern eines Dreipunkt-Spannungszwischen­ kreis-Umrichters, Fig. 3 shows an arithmetic unit for determining the temperature of Lei stungshalbleitern a three-point voltage intermediate-circuit converter,

Fig. 4 Kennlinien für die Ausnutzbarkeit von Leistungshalb­ leitern. Fig. 4 curves for the exploitability of power semiconductors.

Fig. 1 zeigt den Einsatz von erfindungsgemäßen Antriebsein­ richtungen in einer Walzstraße. Das Walzgut 103 wird in den Walzgerüsten 104, 105, 106, 107, die von elektrischen Motoren 99, 100, 101, 102 angetrieben werden, gewalzt. Die Motoren 99, 100, 101, 102 werden über je einen Transformator 91, 92, 93, 94 und je einen Umrichter 95, 96, 97, 98 durch ein Energieversor­ gungsnetz 90 gespeist. Fig. 1 shows the use of Antriebsein directions according to the invention in a rolling mill. The rolling stock 103 is rolled in the roll stands 104 , 105 , 106 , 107 , which are driven by electric motors 99 , 100 , 101 , 102 . The motors 99 , 100 , 101 , 102 are fed via a transformer 91 , 92 , 93 , 94 and a converter 95 , 96 , 97 , 98 through a power supply network 90 .

Die Temperatur der Leistungshalbleiter der Umrichter 95, 96, 97, 98 wird u. a. in Abhängigkeit des Stromes durch die Um­ richter 95, 96, 97, 98 in einem Rechensystem 50 berechnet. Dazu erhält das Rechensystem 50 Meßwerte 51, 52, 53, 54 oder äquivalente Werte von den Umrichtern 95, 96, 97, 98. Das Re­ chensystem 50 gibt Steuer- bzw. Regelbefehle 55, 56, 57, 59 an die Umrichter 95, 96, 97, 98. Dabei handelt es sich insbe­ sondere um Solldrehzahlen für die Elektromotoren 99, 100, 101, 102. Das Rechensystem 50 überwacht außerdem die Tempera­ turen der Leistungshalbleiter der Umrichter 95, 96, 97, 98. Bei Erreichen einer kritischen Temperatur in einem der Lei­ stungshalbleiter der Umrichter 95, 96, 97, 98 wird die Soll­ drehzahl für alle Elektromotoren 99, 100, 101, 102 entspre­ chend gesenkt, so daß es nicht zu einer Überhitzung des be­ troffenen Leistungshalbleiters kommt. Das Rechensystem 50 weist u. a. einen Leitrechner und eine Recheneinrichtung gemäß Anspruch 1 auf. Der Leitrechner und die Recheneinrichtung können als getrennte Hardware-Einheiten oder als eine Hard­ ware-Einheit ausgeführt sein.The temperature of the power semiconductors of the converters 95 , 96 , 97 , 98 is calculated, inter alia, as a function of the current through the converters 95 , 96 , 97 , 98 in a computing system 50 . For this purpose, the computing system 50 receives measured values 51 , 52 , 53 , 54 or equivalent values from the inverters 95 , 96 , 97 , 98 . The computing system 50 issues control commands 55 , 56 , 57 , 59 to the inverters 95 , 96 , 97 , 98 . These are in particular target speeds for the electric motors 99 , 100 , 101 , 102 . The computing system 50 also monitors the temperatures of the power semiconductors of the inverters 95 , 96 , 97 , 98 . When a critical temperature is reached in one of the power semiconductors of the converters 95 , 96 , 97 , 98 , the desired speed for all electric motors 99 , 100 , 101 , 102 is reduced accordingly, so that there is no overheating of the power semiconductor concerned. The computing system 50 has, inter alia, a host computer and a computing device according to claim 1. The master computer and the computing device can be designed as separate hardware units or as a hardware unit.

Fig. 2 zeigt die funktionalen Zusammenhänge bei der Berechnung der Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht. Dazu werden in Abhängigkeit von Ein- und Ausschalttransitio­ nen 6 mittels einer Schaltverlustberechnung 10 die Schaltver­ luste 12 berechnet. Ferner werden in Abhängigkeit von Strom­ richtung und -höhe 7, Schaltzuständen 8 und Parameter 9 der Leistungshalbleiter mittels einer Durchlaßverlustberechnung 11 Durchlaßverluste 13 berechnet. In Abhängigkeit der Schalt­ verluste 12, der Durchlaßverluste 13 sowie der Umgebungs- oder Kühlmitteltemperatur 14 wird mittels eines thermischen Ersatzschaltbilds 16 die Leistungshalbleitertemperatur 15 er­ mittelt. Das thermische Ersatzschaltbild 16 umfaßt z. B. eine thermische Modellierung von Trägermaterialien, Halbleiterge­ häusen, Kühlkörpern etc. Fig. 2 shows the functional relationships in the calculation of the temperature of the power semiconductor and the barrier layer. For this purpose, the switching losses 12 are calculated as a function of switch-on and switch-off transitions 6 by means of a switching loss calculation 10 . Furthermore, depending on the current direction and height 7 , switching states 8 and parameters 9 of the power semiconductor 11 forward losses 13 are calculated by means of a forward loss calculation. Depending on the switching losses 12 , the passage losses 13 and the ambient or coolant temperature 14 , the power semiconductor temperature 15 is averaged by means of a thermal equivalent circuit diagram 16 . The thermal equivalent circuit 16 includes z. B. a thermal modeling of carrier materials, semiconductor housing, heat sinks etc.

Fig. 3 zeigt ein Rechenwerk für die Berechnung der Temperatur von Halbleitern eines Dreipunkt-Spannungszwischenkreis- Umrichters. Das Rechenwerk weist eine Durchlaßverlusthöhenbe­ rechnung 20, eine Berechnung 21 des Ortes der Durchlaßverlu­ ste, eine Schaltverlustberechnung 22 sowie ein thermisches Ersatzschaltbild 23 auf. Mittels der Schaltverlustberechnung 22 werden die Ein-/Ausschalttransitionen der individuellen Leistungshalbleiter in der Umrichterschaltung ausgewertet, woraus auf die Schaltverluste in den Halbleitern geschlossen werden kann. Mittels der Berechnung 21 des Ortes der Durch­ laßverluste wird aus der Stromrichtung und den Schaltzustän­ den der Leistungshalbleiter im Umrichter darauf geschlossen, welcher Leistungshalbleiter stromführend ist und in welchem Durchlaßverluste anfallen. Mittels der Durchlaßverlusthöhen­ berechnung 20 werden die Durchlaßverluste aus der Höhe des Stromes und den typischen Halbleiterparametern bestimmt. Die in der Sperrschicht der Leistungshalbleiter anfallenden Ver­ luste fließen über Silicium-Trägermaterialien, Trägergehäuse, Kühlkörper, etc. gegen das Kühlmittel bzw. gegen die Umge­ bungsluft ab. Hierbei haben all diese Komponenten thermische Widerstände und thermische Kapazitäten. Daraus resultiert ei­ ne Kette von thermischen Zeitkonstanten, die für den Wärmeab­ fluß und damit den zeitlichen Temperaturverlauf der Sperr­ schicht verantwortlich sind. Diese thermischen Zeitkonstanten werden in einem thermischen Ersatzschaltbild 23 modelliert, in das die Werte für Durchlaßverluste, Schaltverluste und Temperatur von Kühlmittel bzw. Umgebung als Eingangsgrößen eingehen, und deren Ausgangsgrößen die Sperrschichttemperatu­ ren der Halbleiter sind. In detaillierter Beschreibung von Fig. 3 bezeichnen:
FWD1,. . .,FWD4 Inversdioden einer Phase eines 3-Punkt- Wechselrichters
MPD5, MPD6 Mittelpunktsdioden einer Phase eines 3-Punkt- Wechselrichters
GT01,. . .,GT04 GTOs
i Iststrom
Pon durch Einschaltvorgang in Halbleiter verur­ sachte Verluste
Poff durch Ausschaltvorgang in Halbleiter verur­ sachte Verluste
Pd(MPD) Durchlaßverluste in MPD
Pd(GTO) Durchlaßverluste in GTO
Prr(MPD) Ausschaltverluste der MPD
Prr(FWD) Ausschaltverluste der FWD
PGTO Gesamtverluste im GTO
Pe Schaltverluste gesamt im GTO = (Pon + Poff)
PFWD1, . . ., PFWD4 Gesamtverluste der FWD
rdiff(GTO) Differentieller Widerstand der GTOs sowie - im betrachteten Beispiel - auch der FWDs
rdiff(MPD) Differentieller Widerstand der MPD
TJXXXX Junction Temperatur von XXXX
Z1, . . ., Z5 thermische Impedanzen aus Kombinationen von thermischen Widerständen und thermischen Ka­ pazitäten. Fig. 3 shows an arithmetic unit for calculating the temperature of semiconductors of a three-point voltage intermediate circuit converter. The arithmetic unit has a passage loss height calculation 20 , a calculation 21 of the location of the passage loss, a switching loss calculation 22 and a thermal equivalent circuit diagram 23 . The switch-on / switch-off transitions of the individual power semiconductors in the converter circuit are evaluated by means of the switching loss calculation 22 , from which the switching losses in the semiconductors can be concluded. By means of the calculation 21 of the location of the transmission losses, the power semiconductor in the converter is inferred from the current direction and the switching states as to which power semiconductor is live and in which transmission losses are incurred. Using the forward loss height calculation 20 , the forward losses are determined from the amount of current and the typical semiconductor parameters. The losses occurring in the barrier layer of the power semiconductors flow through silicon carrier materials, carrier housings, heat sinks, etc. against the coolant or against the ambient air. All of these components have thermal resistances and thermal capacities. This results in a chain of thermal time constants that are responsible for the heat flow and thus the temperature profile of the barrier layer over time. These thermal time constants are modeled in a thermal equivalent circuit diagram 23 , in which the values for transmission losses, switching losses and temperature of the coolant or the environment are used as input variables, and the output variables of which are the junction temperature of the semiconductors. In a detailed description of FIG. 3 denote:
FWD1 ,. . ., FWD4 Inverse diodes of a phase of a 3-point inverter
MPD5, MPD6 midpoint diodes of a phase of a 3-point inverter
GT01 ,. . ., GT04 GTOs
i actual current
P on losses caused by switching on in semiconductors
P off losses caused by switching off in semiconductors
P d (MPD) transmission losses in MPD
P d (GTO) transmission losses in GTO
P rr (MPD) Switch-off losses of the MPD
P rr (FWD) Switch-off losses of the FWD
P GTO total losses in the GTO
P e total switching losses in GTO = (P on + P off )
P FWD1,. . ., P FWD4 Total losses of the FWD
r diff (GTO) Differential resistance of the GTOs and - in the example considered - also the FWDs
r diff (MPD) Differential resistance of the MPD
T JXXXX Junction temperature of XXXX
Z 1 ,. . ., Z 5 thermal impedances from combinations of thermal resistances and thermal capacities.

Fig. 4 zeigt die mögliche Überlast 2 für einen Gleichrichter in Abhängigkeit von seiner Vorbelastung 1. Dabei bezeichnen Bezugszeichen 3 die Vorbelastung in Abhängigkeit der Überlast bei 1 sec Überlastung, Bezugszeichen 4 die Abhängigkeit von Überlast bei 10 sec Überlastung und Bezugszeichen 5 die Vor­ belastung in Abhängigkeit von Überlast bei 30 sec Überla­ stung. So darf z. B. der entsprechende Umrichter, der - für ein vorbestimmtes Lastspiel aus Betrieb und Pausen - mit 80% seiner Dauergrenzleistung als Vorbelastung und 140% für 10 sec als Überlast betrieben werden. Fig. 4 shows the possible overload 2 for a rectifier depending on its biasing. 1 Reference numeral 3 denotes the preload depending on the overload with 1 sec overload, reference numeral 4 the dependency on overload with 10 sec overload and reference numeral 5 the preload depending on overload with 30 sec overload. So z. B. the corresponding converter, which - for a predetermined duty cycle from operation and breaks - is operated with 80% of its permanent limit power as a preload and 140% for 10 seconds as an overload.

Claims (18)

1. Elektrische Antriebseinrichtung für Teile von Industriean­ lagen, insbesondere für Teile von Anlagen der Grundstoffindu­ strie, wie Walzwerke, mit zumindest einem Elektromotor, ins­ besondere im Megawatt-Bereich, und zumindest einem Umrichter mit Leistungshalbleitern, über den der Elektromotor mit einem Energieversorgungsnetz verbunden ist, wobei der Umrichter die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Wirkleistungsaufnahme des Elektromotors regelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine Recheneinrichtung aufweist, die die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperr­ schicht der Leistungshalbleiter, insbesondere on-line, be­ rechnet und überwacht und die bei Überschreiten einer kriti­ schen Temperatur in den Leistungshalbleitern die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Wirkleistungsaufnahme des Elek­ tromotors (99, 100, 101, 102) derart verringert, daß ein Über­ hitzen der Leistungshalbleiter verhindert wird.1. Electrical drive device for parts of Industriean, especially for parts of plants of the basic industry, such as rolling mills, with at least one electric motor, in particular in the megawatt range, and at least one converter with power semiconductors, via which the electric motor is connected to an energy supply network , wherein the converter controls the speed, the torque and / or the active power consumption of the electric motor, characterized in that the drive device has a computing device which calculates and monitors the temperature of the power semiconductors or the barrier layer of the power semiconductors, in particular on-line and when a critical temperature in the power semiconductors is exceeded, the speed, the torque and / or the active power consumption of the electric motor ( 99 , 100 , 101 , 102 ) is reduced such that overheating of the power semiconductors is prevented. 2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb­ leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter in Ab­ hängigkeit der Schalt- und/oder der Durchlaufsverluste in den Halbleitern berechnend ausgebildet ist.2. Drive device according to claim 1, characterized, that the computing device the temperature of the power half conductor or the barrier layer of the power semiconductors in Ab dependence of the switching and / or the throughput losses in the Semiconductors is designed to calculate. 3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb­ leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter in Ab­ hängigkeit zumindest einer der Größen
  • - Strom durch die Leistungshalbleiter,
  • - Schaltzustände der Leistungshalbleiter,
  • - Ein- und Ausschalttransitionen und
  • - Parameter der Leistungshalbleiter berechnend ausgebildet ist.
3. Drive device according to claim 1 or 2, characterized in that the computing device, the temperature of the power semiconductor or the barrier layer of the power semiconductor in dependence on at least one of the sizes
  • - current through the power semiconductors,
  • - switching states of the power semiconductors,
  • - Switch-on and switch-off transitions and
  • - The parameters of the power semiconductors are designed to be calculating.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb­ leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter in Ab­ hängigkeit der Größen
  • - Strom durch die Leistungshalbleiter,
  • - Schaltzustände der Leistungshalbleiter,
  • - Ein- und Ausschalttransitionen und
  • - Parameter der Leistungshalbleiter berechnend ausgebildet
    ist.
4. Drive device according to claim 3, characterized in that the computing device, the temperature of the power semiconductor or the barrier layer of the power semiconductor in dependence on the sizes
  • - current through the power semiconductors,
  • - switching states of the power semiconductors,
  • - Switch-on and switch-off transitions and
  • - Calculating parameters of the power semiconductors
    is.
5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb­ leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter in Ab­ hängigkeit der Umgebungstemperatur bzw. bei Kühlung der Lei­ stungshalbleiter mit einem Kühlmittel in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur berechnend ausgebildet ist.5. Drive device according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized, that the computing device the temperature of the power half conductor or the barrier layer of the power semiconductors in Ab depending on the ambient temperature or when cooling the Lei semiconductor with a coolant depending on the Coolant temperature is designed to calculate. 6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung, die Temperatur der Leistungshalb­ leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter mittels einer thermischen Ersatzschaltung der Leistungshalbleiter und ggf. ihrer benachbarten Bauteile, wie z. B. Kühlkörper, be­ rechnend ausgebildet ist.6. Drive device according to one of claims 1, 2, 3, 4 or 5,  characterized, that the computing device, the temperature of the power half conductor or the barrier layer of the power semiconductors a thermal equivalent circuit of the power semiconductors and possibly their neighboring components, such as. B. heat sink, be is arithmetically trained. 7. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb­ leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter voraus­ schauend berechnend ausgebildet ist.7. Drive device according to one of the preceding claims che, characterized, that the computing device the temperature of the power half conductor or the barrier layer of the power semiconductors is trained to be calculating. 8. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (95, 96, 97, 98) als Umrichter (95, 96, 97, 98) mit Gleichspannungszwischenkreis in Dreipunktschaltung ausge­ bildet ist.8. Drive device according to one of the preceding claims, characterized in that the converter ( 95 , 96 , 97 , 98 ) as a converter ( 95 , 96 , 97 , 98 ) with a DC link in a three-point circuit is formed. 9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (95, 96, 97, 98) als Umrichter (95, 96, 97, 98) mit Gleichspannungszwischenkreis in n-Punkt-Schaltung ausge­ bildet ist, wobei n größer gleich 5 ist.9. Drive device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the converter ( 95 , 96 , 97 , 98 ) is formed as a converter ( 95 , 96 , 97 , 98 ) with a DC link in an n-point circuit, wherein n is greater than or equal to 5. 10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter als GTO's, d. h. als Gate Turn Off Thyristors, ausgebildet sind.10. Drive device according to one of claims 1 to 9, characterized,  that the power semiconductors as GTO's, d. H. as a gate turn off Thyristors are formed. 11. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (95, 96, 97, 98) abschaltbare Leistungshalb­ leiter aufweist, die als MCT's, d. h. als MOS Controlled Thy­ ristors, ausgebildet sind.11. Drive device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the converter ( 95 , 96 , 97 , 98 ) has power semiconductors which can be switched off and which are designed as MCT's, ie as MOS controlled thyristors. 12. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (95, 96, 97, 98) abschaltbare Leistungshalb­ leiter aufweist, die als Leistungstransistoren, insbesondere als IGBT's, d. h. Insulated Gate Bipolar Transistors, ausge­ bildet sind.12. Drive device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the converter ( 95 , 96 , 97 , 98 ) has power semiconductors which can be switched off and which are formed as power transistors, in particular as IGBTs, ie insulated gate bipolar transistors. 13. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter rückwärts leitend ausgebildet sind.13. Drive device according to one or more of the An sayings 1 to 12, characterized, that the power semiconductors are designed to conduct backwards are. 14. Walzstraße mit einem oder mehreren Walzgerüsten (104, 105, 106, 107) zum Walzen von Walzgut (103), insbesondere einem Walzband, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Walzgerüst mit einer Antriebseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche angetrieben wird. 14. Rolling mill with one or more rolling stands ( 104 , 105 , 106 , 107 ) for rolling rolling stock ( 103 ), in particular a rolling strip, characterized in that at least one rolling stand is driven by a drive device according to one of the preceding claims. 15. Walzstraße nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Walzgerüste, insbesondere alle Walzgerü­ ste (104, 105, 106, 107), mit einer Antriebseinrichtung nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 13 angetrieben werden.15. Rolling mill according to claim 14, characterized in that the majority of the rolling stands, in particular all of the rolling stands ( 104 , 105 , 106 , 107 ), are driven by a drive device according to one of claims 1 to 13. 16. Walzstraße nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Rechensystem (50) aufweist, das bei Überschreiten einer kritischen Temperatur in einem der Leistungshalbleiter der Umrichter (95, 96, 97, 98) der Walzstraße die Drehzahl aller Elektromotoren (99, 100, 101, 102) derart verringert, daß ein Überhitzen des Leistungshalbleiters verhindert wird.16. Rolling mill according to claim 15, characterized in that it comprises a computing system ( 50 ) which, when a critical temperature in one of the power semiconductors of the converter ( 95 , 96 , 97 , 98 ) of the rolling mill is exceeded, the speed of all electric motors ( 99 , 100 , 101 , 102 ) reduced in such a way that overheating of the power semiconductor is prevented. 17. Verfahren zum Steuern bzw. Regeln einer Antriebseinrich­ tung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperr­ schicht der Leistungshalbleiter, insbesondere on-line, be­ rechnet wird, daß die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter auf der Basis der berechneten Wert überwacht wird, und daß bei Überschreiten einer kritischen Temperatur in den Leistungshalbleitern die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Wirkleistungsaufnahme des Elektromotors (99, 100, 101, 102) derart verringert wird, daß ein Überhitzen der Leistungshalbleiter verhindert wird.17. A method for controlling a drive device, in particular according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the power semiconductors or the barrier layer of the power semiconductors, in particular on-line, is calculated that the temperature of the power semiconductors or the barrier layer of the power semiconductors is monitored on the basis of the calculated value, and that if a critical temperature in the power semiconductors is exceeded, the speed, the torque and / or the active power consumption of the electric motor ( 99 , 100 , 101 , 102 ) is reduced in such a way that overheating of the power semiconductors is prevented. 18. Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß er mittels einer Walzstraße gemäß Anspruch 14, 15 oder 16 gewalzt ist.18. Steel, characterized in that he by means of a rolling mill according to claim 14, 15 or 16th is rolled.
DE1997103617 1997-01-31 1997-01-31 Drive unit for industrial installations, particularly those producing basic materials Withdrawn DE19703617A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1997103617 DE19703617A1 (en) 1997-01-31 1997-01-31 Drive unit for industrial installations, particularly those producing basic materials
CN98104384A CN1192082A (en) 1997-01-31 1998-01-25 Driving device using for industrial equipment, particularly in the raw material industrial equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1997103617 DE19703617A1 (en) 1997-01-31 1997-01-31 Drive unit for industrial installations, particularly those producing basic materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE19703617A1 true DE19703617A1 (en) 1998-08-13

Family

ID=7818932

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE1997103617 Withdrawn DE19703617A1 (en) 1997-01-31 1997-01-31 Drive unit for industrial installations, particularly those producing basic materials

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN1192082A (en)
DE (1) DE19703617A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1816733A2 (en) 2005-12-20 2007-08-08 ABB Oy Method in frequency converter, and frequency converter
CN102641904A (en) * 2011-02-18 2012-08-22 东芝三菱电机产业系统株式会社 Energy consumption forecasting device

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994021020A1 (en) * 1993-03-09 1994-09-15 SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT öSTERREICH Power load improvement of semiconductor valves

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1994021020A1 (en) * 1993-03-09 1994-09-15 SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT öSTERREICH Power load improvement of semiconductor valves

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1816733A2 (en) 2005-12-20 2007-08-08 ABB Oy Method in frequency converter, and frequency converter
EP1816733A3 (en) * 2005-12-20 2009-02-11 ABB Oy Method in frequency converter, and frequency converter
US8238131B2 (en) 2005-12-20 2012-08-07 Abb Oy Method of changing an operation mode of a frequency converter based on temperature conditions, and a frequency converter having a changeable mode of operation based on temperature conditions
CN102641904A (en) * 2011-02-18 2012-08-22 东芝三菱电机产业系统株式会社 Energy consumption forecasting device
CN102641904B (en) * 2011-02-18 2014-07-30 东芝三菱电机产业系统株式会社 Energy consumption forecasting device
TWI483790B (en) * 2011-02-18 2015-05-11 Toshiba Mitsubishi Elec Inc Energy consumption prediction device

Also Published As

Publication number Publication date
CN1192082A (en) 1998-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1317791B1 (en) Controlling and regulating method for a three-level power converter having active clamping switches, and a device therefor
DE102014008642B4 (en) Temperature estimating device for estimating the temperature of a power semiconductor chip and a motor control device having such a temperature estimating device
EP1973025B1 (en) Temperature control around power switches
DE102008003299B4 (en) Method for operating a wind energy plant
DE102011016931B4 (en) Motor drive arrangement with a function for dynamically switching the operating mode of an AC/DC converter
DE102011050755B4 (en) Motor control with switching function for energy recovery
DE112018004227T5 (en) SOFT STARTER AC / AC CONVERTER WITH INTEGRATED SOLID BODY CIRCUIT BREAKER AND METHOD FOR OPERATING IT
DE102016217674B4 (en) engine control device
DE2734467A1 (en) BRAKE CONTROL ARRANGEMENT FOR A TRAVEL MOTOR DRIVE SYSTEM
WO2012163433A2 (en) Asynchronous motor with load-dependent star or delta connection
EP2974021B1 (en) High-power dc switch
EP2533294B1 (en) Solar module and method for its operation
DE112017004631T5 (en) Inverter apparatus and electric vehicle compressor provided therewith
EP2276165B1 (en) Plastic processing machine and method for operating the same
DE19703617A1 (en) Drive unit for industrial installations, particularly those producing basic materials
DE102007018829A1 (en) Method and device for controlling a circuit breaker unit
DE102020208152A1 (en) Power module for operating an electric vehicle drive
EP3739707A1 (en) Overcurrent protection device for protecting a consumer in a dc network
DE102020105961B4 (en) Air-cooled motor controller for controlling at least one electric motor and method for controlling a fan of a corresponding motor controller
DE102014226165A1 (en) Adaptive driver for a transistor
EP3652849B1 (en) Coupling between circuits in drive networks
DE102018207228B4 (en) High-side gate driver circuit, semiconductor module and three-phase inverter system
DE60037571T2 (en) METHOD AND DEVICE FOR PROTECTING INVERTERS
EP3949703B1 (en) Arrangement with a converter
EP3149842B1 (en) Method for controlling a motor, frequency converter and converter motor

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8130 Withdrawal