DE19834697C2

DE19834697C2 - Method for feeding linear motors and arrangement for carrying out the method

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Publication number: DE19834697C2
Application number: DE1998134697
Authority: DE
Inventors: Rolf Fischperer; Reinhard Hoffmann; Winfried Kemker; Juergen Nothhaft
Original assignee: Siemens AG; IABG Industrieanlagen Betriebs GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-10-05
Anticipated expiration: 2018-08-01
Also published as: DE19834697A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einkoppelung niederfrequenter Antriebsenergie in transformatorisch gespeiste Langstatorwicklungen. Um eine Verbesserung im Anfahrbereich zu erzielen, wird vorgeschlagen, eine m-strängige Spannungsquelle mit einer ersten Frequenz über einen m-strängigen Halbleiterschalter an eine m-strängige Statorwicklung oder Last zu führen. Der Halbleiterschalter ist in jedem Strang stromrichtungsunabhängig separat ein- und ausschaltbar. Zur Steuerung der Halbleiterschalter ist eine m-strängige Steuerfunktion mit einer zweiten Frequenz vorgegeben, wobei die zweite Frequenz kleiner ist als die erste Frequenz. Die Steuerfunktion bestimmt die aktuell einzuschaltende Stromrichtung in jedem Strang.The invention relates to a method for coupling low-frequency drive energy into transformer-fed long stator windings. In order to achieve an improvement in the start-up range, it is proposed to lead an m-stranded voltage source with a first frequency to an m-stranded stator winding or load via an m-stranded semiconductor switch. The semiconductor switch can be switched on and off separately in each line, regardless of the current direction. To control the semiconductor switch, an m-stranded control function with a second frequency is specified, the second frequency being lower than the first frequency. The control function determines the current direction to be switched on in each line.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speisung von Linear motoren, bei dem eine m-strängige Statorwicklung über eine m- strängige Spannungsquelle und über einen m-strängigen Trans formator im Bereich großer Geschwindigkeit mit einer ersten, variablen Frequenz gespeist wird.The invention relates to a method for feeding linear motors in which an m-stranded stator winding over an m- stranded voltage source and via an m-stranded trans high speed formator with a first, variable frequency is fed.

Ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in der DE 37 25 932 C2 beschrieben. Bei dem bekannten Verfahren wird die Spannung bei niedrigen Frequenzen im Anfahrbereich direkt und bei höheren Frequenzen über Transformatoren zugeführt.A method according to the preamble of claim 1 is in the DE 37 25 932 C2 described. In the known method the voltage at low frequencies in the approach area directly and supplied at higher frequencies via transformers.

Bei Magnetbahnen mit synchronem Langstatorantrieb erfolgt die Einspeisung der Antriebsenergie über Transformatoren, die in bestimmten Abständen der Fahrstrecke angeordnet sind. Aus technischen Gründen können die Transformatoren derzeit nur ab einer Mindestfrequenz <30 Hz betrieben werden. Zum Anfahren der Linearmotorfahrzeuge wird jedoch auch eine Betriebs- Grundfrequenz benötigt, die sehr viel kleiner ist (0 bis 30 Hz). Diese sehr kleinen Frequenzen können mit den an sich für die Energieübertragung ausgelegten Transformatoren nicht oder nur mangelhaft übertragen werden. Andererseits werden Trans formatoren zur Anpassung des Spannungsniveaus zwischen Span nungsquelle und Langstator bzw. zur Optimierung der Energie übertragung zum Langstator benötigt.For magnetic tracks with synchronous long stator drive, the Feeding of the drive energy via transformers that are in certain distances of the route are arranged. Out For technical reasons, the transformers can currently only be used a minimum frequency <30 Hz. To start off of linear motor vehicles is also an operational Fundamental frequency, which is much smaller (0 to 30 Hz). These very small frequencies can be used for the transformers designed for power transmission are not or are transmitted poorly. On the other hand, trans formers for adjusting the voltage level between span voltage source and long stator or to optimize energy transmission to the long stator required.

In der Anfahrphase hat man bisher die Transformatoren mit Hilfe von Schalteinrichtungen überbrückt und die Wechselrich ter direkt an die Strecke geschaltet. Erst nach Erreichen der Mindestfrequenz (ca. 30 Hz) wurden die Überbrückungen geöff net und die Transformatoren zugeschaltet. Bei Unterschreiten der Mindestfrequenz wurden die Überbrückungen wieder akti viert. In the start-up phase you have the transformers with you With the help of switching devices bridged and the inverter ter switched directly to the track. Only after reaching the Minimum frequency (approx. 30 Hz) the bridging was opened net and the transformers switched on. When falling short The bridges were activated again at the minimum frequency fourth.

Es ist verständlich, daß bei einer solchen Anordnung entlang der Strecke entsprechend viele Transformatoren mit entspre chend vielen Überbrückungseinrichtungen benötigt werden und daß dadurch ein erheblicher Geräteaufwand und auch Platzbe darf entsteht. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die übertragbare Energie wegen der relativ geringen Span nungsamplitude im Überbrückungszustand begrenzt ist. Die Vor teile der optimierten Übertragungsspannung können deshalb nicht voll ausgeschöpft werden. Auch das Unterscheiden zwi schen Normalbetrieb (Trafobetrieb) und Überbrückungsbetrieb erfordert einen entsprechenden Aufwand in der Betriebsfüh rung.It is understood that with such an arrangement along corresponding to the route with many transformers chend many bridging devices are needed and that this requires a considerable amount of equipment and space may arise. Another disadvantage is that the transferable energy because of the relatively low span voltage amplitude in the bridging state is limited. The before parts of the optimized transmission voltage can therefore cannot be fully utilized. The distinction between normal operation (transformer operation) and bridging operation requires a corresponding effort in the operational management tion.

Aus der GB 1 587 182, der AT 372 556 und der DE 25 58 113 C2 ist es bekannt, bei Drehstrommotoren zur Erzielung niedriger Drehzahlen, z. B. im Anfahrbereich, vereinfachte Direktum richter mit je einem Thyristorpaar oder Triac pro Phase ein zusetzen.From GB 1 587 182, AT 372 556 and DE 25 58 113 C2 it is known to achieve lower in three-phase motors Speeds, e.g. B. in the approach area, simplified direct with one pair of thyristors or triac per phase clog.

In der DE 44 39 760 A1 ist ein Direktumrichter beschrieben, der über drei Umrichtereingänge an einen Dreiphasentransfor mator angeschlossen ist.DE 44 39 760 A1 describes a direct converter, which is connected to a three-phase transformer via three converter inputs mator is connected.

Aus dem Aufsatz "A New Flexible and Compact High Frequency Link On-Line UPS System" in EPE-Journal, 1995, Vol. 5, No. 2, Seiten 7-12, ist ein als "Hochfrequenzzwischenkreis" be zeichnetes System bekannt, das einen Wechselrichter, einen Transformator und einen Direktumrichter aufweist.From the essay "A New Flexible and Compact High Frequency Link On-Line UPS System "in EPE-Journal, 1995, Vol. 5, No. 2, Pages 7-12, is a "high frequency link" recorded system known that an inverter, a Has transformer and a direct converter.

In der DE 196 29 564 A1 ist eine Schaltungsanordnung be schrieben, bei der zwischen einem Gleichrichter der Netzspan nung und einem Motor ein Wechselrichter mit hoher Umwand lungsfrequenz und ein gesteuerter phasenversetzender Gleich richter geschaltet ist.DE 196 29 564 A1 describes a circuit arrangement wrote, in the case of a rectifier between the mains an inverter with a high conversion frequency and a controlled phase-shifting equation is switched.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem insbesondere eine Verbesserung im Anfahrbereich er zielbar ist.The invention specified in claim 1 has the object reasons to specify a method of the type mentioned at the beginning, with which in particular an improvement in the approach area is aimable.

Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag kann die im Anfahrbe reich benötigte elektrische Energie mit Grundfrequenzen <30 Hz über die Transformatoren zugeführt werden, ohne daß Über brückungseinrichtungen zu den Statorabschnitten erforderlich sind. Die Strecke wird grundsätzlich mit zugeschalteten Transformatoren und hohen Frequenzen eingespeist.The proposal according to the invention can be used in start-up electrical energy with fundamental frequencies <30 Hz are supplied via the transformers without over bridging devices to the stator sections required are. The route is always switched on Transformers and high frequencies are fed.

Um die zum Anfahren benötigten kleineren Frequenzen zu erhal ten, werden am Einspeisepunkt in den Schaltstellen entlang der Strecke aus den im angelieferten Drehspannungssystem die jeweils erforderlichen Phasenspannungen erzeugt. Dies ge schieht dadurch, daß der üblicherweise vorhandene mechanische Schalter durch einen dreiphasigen elektronischen Schalter er setzt oder ergänzt wird, der die jeweils günstigen Phasenla gen der angelieferten Drehspannung durchläßt und die ungün stigen Phasenlagen sperrt.In order to obtain the lower frequencies required for starting ten, are along the entry point in the switching points the distance from the three-phase voltage system supplied each required phase voltages generated. This ge is characterized in that the usually existing mechanical Switch through a three-phase electronic switch sets or is supplemented, which the respective favorable phase la passes through the supplied three-phase voltage and the unun current phase locks.

Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren er läutert und verschiedene Varianten einer Anordnung zur Durch führung des Verfahrens aufgezeigt.The method according to the invention is illustrated in the drawing refines and different variants of an arrangement for through management of the process demonstrated.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bedeuten SK das Streckenkabel, WT ein Transformator, SW ein Halbleiterschalter, W die Wick lung eines Statorabschnittes des Langstatorantriebs und ST eine Steuerfunktionseinheit.With reference to FIG. 1, SK means the section cable, WT a transformer, SW a semiconductor switch, W the winding of a stator section of the long stator drive, and ST a control function unit.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einkoppelung einer nie derfrequenten Antriebsenergie in der Anfahrphase des Linear motorantriebs besteht darin, daß eine m-strängige Spannungs quelle mit einer ersten Frequenz über einen m-strängigen Transformator (WT) über einen m-strängigen Halbleiterschalter (SW) an eine m-strängige Wicklung (W) des Statorabschnitts oder eine entsprechende Last geführt wird, wobei der Halblei terschalter (SW) in jedem Strang stromrichtungsunabhängig separat ein- und ausschaltbar ist und wobei zur Steuerung der Halbleiterschalter (SW) eine Steuerfunktionseinheit (ST) vorhanden ist, die eine m-strängige Steuerfunktion mit einer zweiten Grundfrequenz vorgibt, die kleiner ist als die erste Frequenz, wobei die Steuerfunktion in ST die aktuell ein zuschaltende Stromrichtung in jedem Strang bestimmt. Der Halbleiterschalter SW wird mittels der Steuerfunktion in ST als Demodulator für eine Unterschwingung mit Grundfrequenzen kleiner als die vorgenannten 30 Hz eingesetzt.The inventive method for coupling a never frequency drive energy in the start-up phase of the linear motor drive is that an m-stranded voltage source with a first frequency over an m-stranded Transformer (WT) via an m-stranded semiconductor switch (SW) to an m-strand winding (W) of the stator section or a corresponding load is carried, the half lead switch (SW) in each line independent of the current direction can be switched on and off separately and is used to control the Semiconductor switch (SW) a control function unit (ST) is available, the m-stranded control function with a second fundamental frequency that is smaller than the first Frequency, the control function in ST the currently one Switching current direction determined in each string. The Semiconductor switch SW is by means of the control function in ST as a demodulator for an undershoot with fundamental frequencies used less than the aforementioned 30 Hz.

Die Amplitude des Statorstromes wird vorteilhafterweise durch Variieren der Amplitude der Spannungsquelle mit der ersten Frequenz eingestellt. Mit Vorteil wird auch die Phasenlage des Statorstromes relativ zur Fahrzeugpolradspannung durch Variieren der zweiten Frequenz der Halbleiterschalter-Steuer funktion in ST eingestellt. Die Halbleiterschalter eines Stranges und einer Stromrichtung werden vorteilhafterweise über einen Stromflußwinkel von 180° elektrisch zur zweiten Frequenz eingeschaltet. Hierbei addieren sich die Stromzeit flächen zu der größtmöglichen Amplitude des Grundschwin gungsstromes mit der zweiten Frequenz (siehe Fig. 4). Andere Stromflußwinkel (z. B. 120°) können zum zusätzlichen Verstel len der Stromamplitude genutzt werden. Die beiden Frequenzen werden, falls möglich, derart aufeinander synchronisiert eingestellt, daß der Quotient der ersten zur zweiten Frequenz ganzzahlig ist. Die Spannungsquelle mit der ersten Frequenz wird üblicherweise von den mit 30 bis 300 Hz arbeitenden An triebsumrichtern gebildet und die Amplitude des Statorstromes durch Vari ieren der Einschaltdauer der Halbleiterschalter (SW) einge stellt.The amplitude of the stator current is advantageously set by varying the amplitude of the voltage source with the first frequency. The phase position of the stator current relative to the vehicle pole wheel voltage is advantageously also set in ST by varying the second frequency of the semiconductor switch control function. The semiconductor switches of a strand and a current direction are advantageously switched on electrically at a current flow angle of 180 ° to the second frequency. Here, the current-time areas add up to the largest possible amplitude of the fundamental current with the second frequency (see FIG. 4). Other current flow angles (e.g. 120 °) can be used to additionally adjust the current amplitude. If possible, the two frequencies are set synchronized to one another in such a way that the quotient of the first to the second frequency is an integer. The voltage source with the first frequency is usually formed by the drive converters operating at 30 to 300 Hz and the amplitude of the stator current is adjusted by varying the duty cycle of the semiconductor switch (SW).

Die Halbleiterschalter (SW) werden in jedem Strang vorteil hafterweise aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren gebildet und können sowohl auf der Einspeise- als auch vor teilhafterweise auf der Sternpunktseite der m-strängigen Statorwicklung angeordnet werden (Fig. 1 und 2). Dem Halblei terschalter (SW) ist in jedem Strang eine Einrichtung zur Spannungsbegrenzung parallelgeschaltet (Fig. 3).The semiconductor switches (SW) are advantageously formed in each phase from two antiparallel connected thyristors and can be arranged both on the infeed and, advantageously, on the star point side of the m-stranded stator winding ( FIGS. 1 and 2). The semiconductor switch (SW) is a device for voltage limitation connected in parallel in each strand ( Fig. 3).

Die erste Frequenz des Spannungs-Übertragungssystems kann beispielsweise 200 Hz betragen, während die zweite Frequenz, die über die Steuerfunktionseinheit (ST) eingegeben wird, 25 Hz betragen kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ge mäß Fig. 4 besteht das ganzzahlige Frequenzverhältnis 8 : 1.The first frequency of the voltage transmission system can be, for example, 200 Hz, while the second frequency, which is input via the control function unit (ST), can be 25 Hz. In the illustrated embodiment according to FIG. 4, the integer frequency ratio is 8: 1.

Claims

1. Method for supplying linear motors, in which an m-stranded stator winding is fed via an m-stranded voltage source and via an m-stranded transformer in the area of high speed at a first, variable frequency, characterized in that bidirectional Semiconductor switches are provided in series with each phase of the stator winding, and the semiconductor switches are controlled in the low speed range by a control function with a second frequency which is lower than the first frequency.

2. The method according to claim 1, characterized ge indicates that the amplitude of the stator current is adjusted by the amplitude of the span voltage source is varied with the first frequency.

3. The method according to claim 1, characterized ge indicates that for a given amplitude the Voltage source with the first frequency, the amplitude of the stator current is set by the control function.

4. The method according to claim 1, characterized ge indicates that the phase position of the stator current is set relative to the vehicle pole wheel voltage, by the second frequency of the semiconductor switch control radio tion is varied.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, there characterized in that the two Frequencies are synchronized with each other so that the Quotient of the first and second frequency is an integer.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, there characterized in that the half conductor switch of a strand and a current direction be preferably electrically at a current flow angle of 180 ° second frequency is turned on.

7. The method according to claim 1, characterized ge indicates that the voltage source with the first frequency from the (country-specific) feed-in network is related and the amplitude of the stator current by Vari Set the on-time of the semiconductor switch becomes.

8. Arrangement for performing the method according to one of the Claims 1 to 7, characterized records that the semiconductor switch (SW) in each Line of two thyristors connected in antiparallel be formed.

9. Arrangement according to claim 8, characterized ge indicates that the semiconductor switch on the star point side of the m-stranded stator windings are arranged.

10. Arrangement according to claim 8 or 9, characterized characterized that the semiconductor switches in each strand a device for voltage limitation par is switched allele.