DE19821887B4 - Verfahren zum Betrieb einer Umrichter-Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Elektromotors - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Umrichter-Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Elektromotors Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Umrichter-Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors, insbesondere eines Drehstrom-Asynchron- und Synchron-Motors, umfassend – Eingänge für die drei Phasen (L1, L2, L3), – den Eingängen nachgeordnete Induktivitäten (L), – eine den Induktivitäten (L) nachgeordnete statische Gleichrichter-Schaltungsanordnung (GR), – eine der statischen Gleichrichter-Schaltungsanordnung (GR) nachgeordnete Spannungszwischenkreis-Schaltungsanordnung (ZK), wobei die Kapazität der Kondensatoren im Zwischenstromkreis zwischen 1 und 10 μF/kW liegt, – eine der Spannungszwischenkreis-Schaltungsanordnung (ZK) nachgeordnete getaktete Wechselrichter-Schaltungsanordnung (WR) und – einen der getakteten Wechselrichter-Schaltungsanordnung (WR) nachgeordneten Motor (M), wobei in der Gleichrichter-Schaltungsanordnung (GR) Dioden (D1 bis D6) nachgeordnet sind, welche einerseits zwischen der jeweiligen Phase und dem Potential (+ZK) des Zwischenstromkreises (ZK) und andererseits zwischen der jeweiligen Phase und dem Potential (–ZK) des Zwischenstromkreises (ZK) liegen, wobei – jede dieser Dioden (D1 bis D6) diese überbrückend ein elektronischer Schalter (S1 bis S6), insbesondere in Form eines Transistors, zugeordnet ist, wobei jeder der elektronischen Schalter derart angesteuert wird bzw. ansteuerbar ist, dass er jeweils dann schließt, wenn sich die Spannung der jeweils zugehörigen Phase am Eingang (L1, L2, L3) im Bereich eines Maximums bzw. Minimums befindet, so dass die statische Gleichrichter-Schaltungsanordnung (GR) nach beiden Seiten hin durchlässig wird, und ein Energietransfer von den Eingängen zum Motor (M) und umgekehrt vom Motor (M) zu den Eingängen möglich ist, und wobei – beim Auftreten von Spannungsspitzen im Zwischenstromkreis aufgrund transienter Netzüberspannungen oder kurzfristiger, die Rückspeisung verhindernder Netzausfälle eine Einrichtung zum Abbau der Spannungsspitzen aktiviert wird, die im Zwischenkreis zwischen den Potentialen (+ZK) und (–ZK) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf Verfahren zum Betrieb einer Umrichter-Schaltungsanordnung zur Ansteuerung dreiphasiger Elektromotoren, insbesondere von Drehstrom-Asynchron- und Synchron-Motoren, umfassend Eingänge für die drei Phasen L1, L2, L3, den Eingängen nachgeordnete Induktivitäten L, eine den Induktivitäten L nachgeordnete statische Gleichrichter-Schaltungsanordnung GR, eine der statischen Gleichrichter-Schaltungsanordnung GR nachgeordnete Spannungszwischenkreis-Schaltungsanordnung ZK mit den Kondensatoren C2, eine dem Spannungszwischenkreis ZK nachgeordnete getaktete Wechselrichter-Schaltungsanordnung WR und einem der getakteten Wechselrichter-Schaltungsanordnung WR nachgeordneten Motor M, wobei in der Gleichrichter-Schaltungsanordnung GR Dioden D1 bis D6 angeordnet sind, welche einerseits zwischen der jeweiligen Phase und dem Potential (+ZK) des Spannungszwischenkreises ZK und andererseits zwischen der jeweiligen Phase und dem Potential (–ZK) des Spannungszwischenkreises ZK liegen, und wobei jede dieser Dioden D1 bis D6 diese überbrückend ein elektronischer Schalter S1 bis S6, insbesondere in Form eines Transistors, zugeordnet ist.
  • Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der Firmendruckschrift „Siemens SIMOVERT MASTER DRIVES, Katalog DA 65, 1–2 bekannt. Eine vergleichbare Schaltungsanordnung wird beschrieben in EP 0 314 801 A1 .
  • Die in der EP 0 314 801 A1 beschriebene Schaltungsanordnung enthält die Merkmale der eingangs beschriebenen Umrichter-Schaltungsanordnung. Sie ist zum Betrieb eines dreiphasigen Elektromotors bestimmt. Sie umfasst eine statische Gleichrichter-Schaltungsanordnung, eine Spannungszwischenkreis-Schaltungsanordnung sowie eine getaktete Wechselrichter-Schaltungsanordnung, wobei eine Energierückspeisung vom Elektromotor in das Versorgungsnetz möglich ist. Besondere Maßnahmen zum Abbau von Spannungsspitzen im Zwischenkreis sind in der EP 0 314 801 A1 nicht beschrieben.
  • In der US 4 843 533 A wird eine Ansteuerschaltung für einen Elektromotor beschrieben, die nicht zur Energierückspeisung ausgelegt ist. Ihre eingangsseitige Gleichrichterschaltung umfasst nur Dioden, sodass sie nur in Richtung vom Netz zum Elektromotor durchlässig ist. Außerdem umfasst die Schaltungsanordnung im Zwischenkreis eine Schutzeinrichtung aus einem Widerstand und einem Schaltelement zum Schutz der im nachgeschalteten, getakteten Wechselrichter vorgesehenen Schaltelemente vor aus dem Versorgungsnetz stammenden Transienten.
  • Ein grundsätzliche Problem bei derartigen Umrichter-Schaltungsanordnungen liegt also darin, daß vom Motor zurückgespeiste Energie durch eine separate Schaltungsanordnung vernichtet bzw. abgepuffert werden muß. Hierzu verwendet man – wie vorstehend erwähnt – herkömmlicherweise in dem Zwischenkreis Kondensatoren, insbesondere Elektrolyt-Kondensatoren, mit ganz erheblicher Kapazität. Diese Bauteile machen die gesamte Umrichter-Schaltungsanordnung kostenaufwendig und schwer und sind auch bei einer späteren Entsorgung besonders problematisch.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Umrichter-Schaltungsanordnung anzugeben, welches gegenüber bekannten derartigen Schaltungsanordnungen keinen erhöhten oder zumindest nicht wesentlich erhöhten Schaltungsaufwand erfordert, welches es aber ermöglicht, auf Kondensatoren hoher Kapazität im Spannungszwischenkreis zu verzichten und dementsprechend einen einfachen, kompakten und kostengünstigen Aufbau der Schaltungsanordnung realisierbar macht, wobei es insbesondere möglich sein soll, im Zwischenkreis auftretende Spannungsspitzen aufgrund kurzer transienter Netzüberspannungen oder insbesondere kurzfristiger Netzausfälle, die eine Rückspeisung von Energie ins Netz vorübergehend unmöglich machen, abzubauen, so daß eine Überlastung der Kondensatoren vermieden wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder der elektronischen Schalter derart angesteuert wird bzw. ansteuerbar ist, daß er jeweils dann schließt, wenn sich die Spannung der jeweils zugehörigen Phase am Eingang L1, L2, L3 im Bereich eines Maximums bzw. Minimums befindet, wobei in dem Spannungszwischenkreis zwischen den Potentialen (+ZK) und (–ZK) eine Einrichtung zum Abbau von Spannungsspitzen angeordnet ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird in überraschend einfacher Weise erreicht, daß die Gleichrichter-Schaltungsanordnung nach beiden Seiten hin durchlässig wird, d. h. von den Eingängen zum Motor und umgekehrt vom Motor zu den Eingängen, so daß ein Energietransfer in beiden Richtungen möglich ist und vom Motor zurückgespeiste Energie in das Netz abgeführt werden kann.
  • Auf diese Weise wird eine ähnlich vorteilhafte Energiebilanz wie bei einer Gleichstromschaltung erreicht. Es ist ein echter Vier-Quadranten-Betrieb mit Energie-Rückspeisung bei hohem Wirkungsgrad möglich. Auch die Drosseln im Eingangsbereich können niedrig dimensioniert werden, vor allem aber kann, wie angesprochen, die Dimensionierung der Kondensatoren im Zwischenschaltkreis wesentlich reduziert und dadurch ein erheblicher Kostenvorteil erreicht werden. Die Oberwellenbelastung auf der Netzseite ist durch fast vollständigen Wegfall von 5.ten und 7.ten Harmonischen stark vermindert.
  • Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Einrichtung zum Abbau kurzzeitiger Spannungsspitzen im Zwischenkreis kann beispielsweise gebildet sein durch einen spannungsabhängig aktivierbaren Schalter, z. B. einen Transistor, in Reihe mit einem Widerstand, insbesondere einem impulsfesten Widerstand mit einer diesen überbrückenden Freilaufdiode, wobei die Aktivierung des Schalters durch einen Schmitt-Trigger erfolgen kann, der zwischen zwei Widerständen liegt, die die Zweige (+ZK) und (–ZK) überbrücken.
  • Alternativ könnten auch Elektrolyt-Kondensatoren mit Entkoppeldiode und Entladewiderstand vorgesehen sein, die aber einer thermischen Alterung unterliegen und gesondert entsorgt werden müssen. Grundsätzlich besteht ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung gerade darin, auf solche Elektrolyt-Kondensatoren größerer Kapazität verzichten zu können, weil die erzeugte Energie nicht vernichtet werden muß, sondern in das Netz zurückgespeist werden kann, was den baulichen Aufwand durch Vermeidung großer Elektrolyt-Kondensato-ren erheblich vermindert, die anfallende Wärme reduziert und vom Energiehaushalt her vorteilhaft ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 ein Prinzipschaltschild einer Schaltungsanordnung, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist und
  • 2 eine Darstellung des Spannungsverlaufs in den einzelnen Phasen in Abhängigkeit von der Zeit sowie der Umschaltzeitpunkte.
  • Eine in 1 dargestellte Schaltungsanordnung umfaßt Eingänge L1, L2, L3 für die drei Phasen sowie diesen Eingängen nachgeordnete Meßpunkte M1, M2, M3 zur Erfassung des in 2 dargestellten zeitabhängigen Spannungsverlaufes in den einzelnen Phasen. Diesen Meßpunkten nachgeordnet ist eine insgesamt als C1 bezeichnete Kondensatoranordnung zur Herausfilterung von Spannungsspitzen, die von der Schaltungsanordnung her in das Netz eingespeist werden könnten.
  • Weiterhin nachgeordnet findet sich für jeden Eingang L1, L2, L3 eine Induktivität L.
  • Den Induktivitäten nachgeordnet ist eine statische Gleichrichter-Schaltungsanordnung GR, eine Spannungszwischenkreis-Schaltungsanordnung ZK mit den Kondensatoren C1 und eine Wechselrichter-Schaltungsanordnung WR, der wiederum der Motor M nachgeordnet ist.
  • Die Gleichrichter-Schaltungsanordnung GR umfaßt zwischen der Phase L1 und dem positiven Strang +ZK des Zwischenstromkreises eine Diode D1, zwischen L2 und +ZK eine Diode D2 und zwischen Diode L3 und +ZK eine Diode D3 sowie zwischen der Phase L1 und dem negativen Strang –ZK des Zwischenstromkreises ZK eine Diode D4, zwischen L2 und –ZK eine Diode D5 und zwischen L3 und –ZK eine Diode D6. Jeder der Dioden D1 bis D6 ist von einem elektronischen Schalter in Form eines Transistors S1 bis S6 überbrückt, wobei durch dessen Schließen die jeweilige Diode für die umgekehrte Stromrichtung überbrückt wird.
  • Das Wesen des erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, zum Abführen von durch den Motor in die Zwischenkreis-Schaltungsanordnung rückgespeiste Energie die Schalter S1 bis S6 taktweise unter Herstellung einer direkten Verbindung zum Netz zu schließen, und zwar derart, daß an den Meßpunkten M1, M2, M3 die Spannungsverläufe in den Phasen L1, L2, L3 gemessen werden und eine Umschaltung im Bereich von deren Maxima und Minima stattfindet. In 2 ist die resultierende Spannung U+ZK bzw. U–ZK aufgetragen. Durch die vertikalen Striche im Minimum dieser resultierenden Spannung bzw. in deren Maximum wird der jeweilige Umschaltvorgang veranschaulicht. Die Umschaltung wird also so bewerkstelligt, daß im Maximum der Spannung in der Phase L1 der Schalter S1 geschlossen wird, im darauffolgenden Minimum der Spannung in der Phase L1 der korrespondierende Schalter S4, im Maximum der Spannung in der Phase L2 der Schalter S2, im darauffolgenden Minimum der korrespondierende Schalter S5, im Maximum der Phase L3 der Schalter S3 und im darauffolgenden Minimum der korrespondierende Schalter S6, wobei sich das ganze beginnend mit dem Schließen des Schalters S1 im nächstfolgenden Maximum der Spannung in der Phase L1 wiederholt.
  • Zwischen den Zweigen +ZK und –ZK ist ein Drahtwiderstand R1, der von einer Freilaufdiode D7 überbrückt wird, in Reihe mit einem Schalter S7 angeordnet und parallel hierzu sind zwei Widerstände R2 und R3 vorgesehen, zwischen welchen ein Schmitt-Trigger ST angeordnet ist, der auf den Schalter S7 so einwirkt, daß dann, wenn die Spannung im Zwischenkreis zwischen (+ZK) und (–ZK) einen vorgegebenen Wert überschreitet, der Schalter S7 geschlossen wird und über den Drahtwiderstand R1 mit Freilaufdiode D7 die Spannungsspitze im Zwischenkreis abgebaut wird, so daß ein Überschreiten der zulässigen Spannungsbelastung der Kondensatoren C2 sowie der Halbleiterelemente in der Wechselrichter-Schaltungsanordnung WR und in der Gleichrichter-Schaltungsanordnung GR verhindert wird.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Umrichter-Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors, insbesondere eines Drehstrom-Asynchron- und Synchron-Motors, umfassend – Eingänge für die drei Phasen (L1, L2, L3), – den Eingängen nachgeordnete Induktivitäten (L), – eine den Induktivitäten (L) nachgeordnete statische Gleichrichter-Schaltungsanordnung (GR), – eine der statischen Gleichrichter-Schaltungsanordnung (GR) nachgeordnete Spannungszwischenkreis-Schaltungsanordnung (ZK), wobei die Kapazität der Kondensatoren im Zwischenstromkreis zwischen 1 und 10 μF/kW liegt, – eine der Spannungszwischenkreis-Schaltungsanordnung (ZK) nachgeordnete getaktete Wechselrichter-Schaltungsanordnung (WR) und – einen der getakteten Wechselrichter-Schaltungsanordnung (WR) nachgeordneten Motor (M), wobei in der Gleichrichter-Schaltungsanordnung (GR) Dioden (D1 bis D6) nachgeordnet sind, welche einerseits zwischen der jeweiligen Phase und dem Potential (+ZK) des Zwischenstromkreises (ZK) und andererseits zwischen der jeweiligen Phase und dem Potential (–ZK) des Zwischenstromkreises (ZK) liegen, wobei – jede dieser Dioden (D1 bis D6) diese überbrückend ein elektronischer Schalter (S1 bis S6), insbesondere in Form eines Transistors, zugeordnet ist, wobei jeder der elektronischen Schalter derart angesteuert wird bzw. ansteuerbar ist, dass er jeweils dann schließt, wenn sich die Spannung der jeweils zugehörigen Phase am Eingang (L1, L2, L3) im Bereich eines Maximums bzw. Minimums befindet, so dass die statische Gleichrichter-Schaltungsanordnung (GR) nach beiden Seiten hin durchlässig wird, und ein Energietransfer von den Eingängen zum Motor (M) und umgekehrt vom Motor (M) zu den Eingängen möglich ist, und wobei – beim Auftreten von Spannungsspitzen im Zwischenstromkreis aufgrund transienter Netzüberspannungen oder kurzfristiger, die Rückspeisung verhindernder Netzausfälle eine Einrichtung zum Abbau der Spannungsspitzen aktiviert wird, die im Zwischenkreis zwischen den Potentialen (+ZK) und (–ZK) angeordnet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auftreten von Überspannungen ein spannungsabhängiger Schalter aktiviert wird, der einen Widerstand, insbesondere einen Drahtwiderstand, zwischen den Potentialen (+ZK) und (–ZK) anlegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der spannungsabhängige Schalter einen Schmitt-Trigger umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz in der getakteten Wechselrichter-Schaltungsanordnung kleiner ist als 10 KHz (z. B. 3 bis 6 KHz), aber deutlich höher als die Frequenz in der statischen Gleichrichter-Schaltungsanordnung.
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