DE19933069A1 - Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit und Verfahren zur Ein-Rückspeisung von Drehstrom - Google Patents

Abstract

Bei einer Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit (11) mit einem Gleichspannungszwischenkreis (3), der über einen Netzstromrichter (5) an das Drehstromnetz (6) geschaltet ist, ist der Netzstromrichter (5) ein Vierquadrantensteller (12), der an zwei Phasen des Drehstromnetzes (6) angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit mit einem Gleichspannungszwischenkreis, der über einen Netzstrom­ richter an das Drehstromnetz geschaltet ist. Die Erfindung be­ trifft weiterhin ein Verfahren zur Ein-Rückspeisung von Dreh­ strom mit einem Gleichspannungszwischenkreis, der über einen Drehstrom an ein Drehstromnetz geschaltet ist.

Für die Ansteuerung drehzahlvariabler Drehstrommaschinen finden herkömmlicherweise bevorzugt Pulswechselrichter Verwendung. Hierbei wird jede der drei Statorwicklungen des Drehstroman­ triebs mittels einer pulsgesteuerten Halbbrücke mit dem oberen oder unteren Potential eines Gleichspannungszwischenkreises ver­ bunden, wie in der Fig. 1 dargestellt ist. Ein Steuerteil mißt und regelt den für den gewünschten Betrieb erforderlichen Größen, wie Motordrehzahl und Motorstrom.

Die Versorgung des Gleichspannungszwischenkreises erfolgt bei den üblichen Netzanwendungen für das Drehstromnetz über eine B6-Diodenbrücke, wie in der Fig. 4 skizziert ist.

Eine derartige Stromversorgung mit einer B6-Diodenbrücke ist nicht rückspeisefähig, d. h. es kann nur elektrische Leistung dem Netz entnommen und dem Antrieb zugeführt werden. Eine Energie­ rückspeisung in das Drehstromnetz ist hingegen nicht möglich. Fallen bei entsprechenden Anwendungen, wie bei Hubwerken und Reversierantrieben große Bremsleistungen an, so müssen diese im Antriebsumrichter durch Ballastwiderstände oder auf andere Weise in Wärme umgesetzt werden oder durch den Einsatz gesteuerter Netzstromrichter in das Netz zurückgespeist werden. Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, werden als Netzstromrichter vollge­ steuerte B6-Thyristorbrücken verwendet, die an alle drei Phasen des Drehstromnetzes geschaltet sind.

Damit die Einspeisung möglichst netzfreundlich ist, d. h. das näherungsweise sinusförmige Netzströme mit einem Phasenwinkel von annähernd cos ϕ ≈ ±1 eingespeist werden, werden üblicher­ weise Pulswechselrichter eingesetzt. Hierdurch ergeben sich be­ sonders geringe Netzrückwirkungen. Zwischen dem Drehstromnetz und dem Pulswechselrichter werden drei Netzdrosseln zur Netz­ stromglättung geschaltet. Diese Schaltung ist insbesondere mit ihrer Sensorik und dem Regelverfahren in vielen Punkten ver­ gleichbar mit der Drehstromantriebsschaltung.

Die Einspeiseeinheit wird nach dem Hochsetzstellerprinzip betrieben, d. h. daß die Zwischenkreisspannung immer höher als die maximal zu erwartende Netzleiterspannung sein muß. Ist dies z. B. durch falsche Einstellung des Zwischenkreisspannungsreglers nicht gewährleistet, dann kann der gewünschte sinusförmige Netz­ strom nicht sichergestellt werden. Die Ursache hierfür liegt in den 6 Freilauf-Dioden, die in der Transistorbrücke enthalten sind. Diese Freilaufdioden wirken als ungesteuerte Diodenbrücke, sobald die Netzleiterspannung die Zwischenkreisspannung über­ steigt. Damit bilden sich über dem ungesteuerten Diodengleich­ richter Netzströme aus, die nicht kontrollierbar sind und zu unerwünschten Netzstrom-Oberwellen führen.

Industrielle Drehstromeinspeisungen arbeiten daher am 400 V-Wechselstromnetz z. B. mit einer 680 V-Gleichspannungs- Zwischenkreisspannung, während für andere Drehstromnetze ent­ sprechend angepaßte Zwischenkreisspannungen benötigt werden. Zum Beispiel wird eine 750 V-Gleichstrom-Zwischenkreisspannung für das 480 V-Wechselstromnetz verwendet. Dies macht es erforder­ lich, daß die Spannung des Zwischenkreises beim Antriebsumrich­ ter und beim Netzstromrichter aufeinander abgestimmt werden und an die benötigte Netzspannung angepaßt sind. Dies erfolgt meist durch aufeinander abgestimmte Produkte für die Netzeinspeisung und für den Antriebsumrichter aus einer Herstellerhand und durch entsprechende Werkseinstellungen. Es sind aber auch Geräte ver­ fügbar, die über eine Parametrierungsmöglichkeit oder anderwei­ tige Umschaltmöglichkeit verfügen, um die für den ordnungsgemä­ ßen Betrieb erforderliche Zwischenkreisspannung einzustellen.

Aufgabe der Erfindung war es, eine universell einsetzbare Dreh­ strom-Ein-Rückspeiseeinheit anzugeben, die wesentlich einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden kann und universell mit vorhandenen Zwischenkreisumrichtern für Anwendungen mit einem weiten Netzspannungsbereich kombinierbar ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Netzstromrichter ein Vierquadrantensteller ist und an zwei Phasen des Drehstromnetzes angeschlossen ist.

Erfindungsgemäß bleibt somit ein Anschluß des Drehstromnetzes ungenutzt. Durch die Reduktion der bei Drehstrom-Netzstrom­ richtern üblichen B6-Transistorbrücke auf einen Vierquadranten­ steller ergibt sich ein verringerter Geräteaufwand. Vorteilhaf­ terweise sind weniger Leistungsbauelemente einschließlich der zugehörigen Schutz- und Ansteuerfunktionen erforderlich. Der Aufwand für Netzdrosseln und Netzfilter wird reduziert und die Sensorik wird vereinfacht und die zu erfassenden Meßgrößen vor­ teilhafterweise reduziert. Zudem vereinfacht sich das Regelungs­ verfahren, so daß sich auch Einsparungen bei der Steuer- und Regelungsschaltung ergeben.

Grundsätzlich ist die Verwendung vom Vierquadrantensteller als Netzstromrichter von einphasigen Wechselstromnetzen bekannt, wie sie z. B. bei Schienenfahrzeugen verwendet werden. Eine derartige Schaltung ist z. B. in der DE-PS 44 34 378 beschrieben. Bei der Verwendung einer derartigen Schaltung in einem einphasigen 230 V-Wechselstromnetz würde der Netzstromrichter an den Neutrallei­ ter N und an eine Wechselstromphase angeschlossen werden. Da die einphasigen Wechselstromnetze auf max. 16 A Leiterstrom begrenzt sind, können maximal ca. 3,6 kW Leistung durch den Netzstrom­ richter umgesetzt werden.

Hingegen können durch den erfindungsgemäßen Anschluß des Vier­ quadrantenstellers an zwei Phasenleiter des Drehstromnetzes hö­ here Netzstromrichterleistungen realisiert werden. Dies resul­ tiert zum einen aus der höheren Leitungsspannung und zum anderen aus den üblicherweise höheren zulässigen Leiterströmen. Bei­ spielsweise können für das 400 V-Drehstromnetz mit 25 A Leiter­ strom netzfreundliche Netzstromrichter mit 10 kW Nennleistung realisiert werden.

Die erfindungsgemäße Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit, bei der ein Vierquadrantensteller an zwei Phasenleiter des Drehstromnet­ zes angeschlossen und mit Gleichspannungszwischenkreisumrichtern kombiniert ist, stellt eine unsymmetrische Last für das Dreh­ stromnetz dar. Auf den ersten Blick scheint diese Schaltung so­ mit im Widerspruch zu den Eigenschaften zu stehen, die typischerweise mit einer netzfreundlichen Stromversorgung ver­ bunden werden. Tatsächlich stellen aber die in der Industrie weit verbreiteten einphasigen Wechselstromverbraucher mit An­ schluß eines Pols an den Neutralleiter N die größte Unsymmetrie für ein symmetrisches Drehstromnetz dar, wo hingegen die Unsym­ metrie einer über zwei Leiter versorgten Last bereits um den Faktor 1/13 geringer zu bewerten ist. Die Unsymmetrie von Ver­ brauchern wird in der Regel durch die Energieversorgungsunter­ nehmen auf bestimmte Höchstwerte begrenzt. Dies bedeutet aber kein praktisch relevantes Einsatzhemmnis für die erfindungsgemä­ ßen Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheiten. Ebenso wie bei einphasi­ gen Wechselstromverbrauchern kann leicht ein Ausgleich der Un­ symmetrie durch entsprechende Anschlußverteilung mit anderen unsymmetrischen Lasten erreicht werden.

Es ist vorteihaft, wenn die einzige verbleibende Netzdrossel zwischen dem Netzstromrichter und dem Drehstromnetz mit zwei Wicklungshälften ausgeführt ist, so daß die Netzdrossel als Be­ standteil des EMV-Filters in die Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit integriert wird. Externe Komponenten für das EMV-Filter oder die Netzdrossel entfallen somit.

Die automatische Einstellung und Anpassung der Zwischenkreis­ spannung im laufenden Betrieb an veränderte Bedingungen erfolgt mit einer Steuer- und Regelungsschaltung, die z. B. als integrierter elektronischer Schaltkreis ausgeführt sein kann. Zur Regelung wird der Wert der Zwischenkreisspannung kontinuier­ lich gemessen und nach den Bedingungen der Netzspannung so ein­ gestellt, daß sich einerseits eine möglichst geringe mittlere Zwischenkreisspannung ergibt und das andererseits diese immer den Scheitelwert der Netzleiterspannung übersteigt. Dadurch ist die Steuerbarkeit des Netzstroms und der sinusförmige Netzstrom­ verlauf sichergestellt. Hierdurch kann der Netzstromrichter als universelles Standardgerät bei verschiedenen Netzbedingungen eingesetzt und mit unterschiedlichen Gleichspannungs-Zwischen­ kreisumrichtern kombinieren werden. Dies ist mit bisherigen Lö­ sungen nicht möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnun­ gen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ansteuerungsschaltung für eine drehzahlvariable Dreh­ strommaschine mit Gleichspannungszwischenkreis und Pulswechselrichter;

Fig. 2 Gesteuerter Netzstromrichter mit vollgesteuerter B6- Thyristorbrücke zur Energierückspeisung in ein Dreh­ stromnetz;

Fig. 3 Erfindungsgemäße Drehstrom-Ein-Rückspeiseinheit mit einem Vierquadrantensteller an zwei Phasen des Dreh­ stromnetzes;

Fig. 4 Herkömmliche nicht rückspeisefähige Drehstromversor­ gungsschaltung für drehzahlvariable Drehstrommaschinen mit einer B6-Diodenbrücke als Netzstromrichter.

Die Fig. 1 läßt das Schaltbild einer Ansteuerungsschaltung für drehzahlvariable Drehstrommaschinen 1 erkennen. Die Drehstrom­ maschine wird mit einem Pulswechselrichter 2 angesteuert, wobei jede der drei Statorwicklungen der Drehstrommaschine mittels einer pulsgesteuerten Halbbrücke mit dem oberen oder unteren Potential eines Gleichspannungszwischenkreises 3 verbunden ist. Zur Steuerung der pulsgesteuerten Halbbrücken ist ein Steuer- und Regelteil 4 vorgesehen, mit dem die für den gewünschten Be­ trieb erforderlichen Größen wie Motordrehzahl und Motorstrom geregelt werden. Hierzu werden der Motorstrom, die Motorspannung und sonstige Größen, wie z. B. die Motorgeschwindigkeit gemessen und es wird ein Pulswellenmodulationssignal PWM zur Ansteuerung der pulsgesteuerten Halbbrücken von dem Steuer- und Regelteil 4 erzeugt.

Die Fig. 2 läßt einen Netzstromrichter 5 erkennen, der zum An­ schluß des Gleichspannungszwischenkreises an das Drehstromnetz 6 dient. Der Netzstromrichter 5 ist nahezu identisch wie der in der Fig. 1 dargestellte Antriebsumrichter aufgebaut. Zur Energierückspeisung in das Drehstromnetz ist eine B6-Transistor­ brücke 7 vorgesehen, mit der das obere und untere Potential des Gleichspannungszwischenkreises 3 jeweils an die drei Phasen L1, L2 und L3 des Drehstromnetzes 6 geschaltet werden können. Eine Steuer- und Regelungsschaltung 8 dient zur Ansteuerung der puls­ gesteuerten B6-Transistorenbrücke 7, mit der Energie in den Gleichspannungszwischenkreis 3 eingespeist bzw. Energie von dem Gleichspannungszwischenkreis 3 in die drei Phasen L1, L2 und L3 des Drehstromnetzes 6 rückgespeist werden kann. Durch die Rück­ speisung ist es möglich, Bremsenergie eines Drehstromantriebs 1 zurückzuleiten. Eine Energievernichtung durch Ballastwiderstände oder auf andere Weise ist nicht erforderlich. Zur Regelung der B6-Transistorbrücken 7 werden die Phasenspannungen und über ei­ nen Meßtransformator die Phasenströme der drei Phasen L1, L2 und L3 gemessen und dem Steuer- und Regelungsschaltung 8 zugeführt. Zwischen dem Drehstromnetz 6 und der B6-Transistorbrücke 7 be­ finden sich drei Netzdrosseln 10 zur Netzstromglättung.

Die Fig. 3 läßt ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Drehstrom- Ein-Rückspeiseeinheit 11 erkennen, bei dem nur zwei Phasen L1, L2 und L3 des Drehstromnetzes 6 über einen Vierquadrantensteller 12 an den Gleichspannungs-Zwischenkreis 3 geschaltet sind. Der Vierquadrantensteller 12 besteht aus vier pulsgesteuerten Tran­ sistoren, die mit einem Pulswellenmodulationssignal PWM einer Steuer- und Regelteilungsschaltung 8 angesteuert werden. Hierzu wird mindestens die Netzspannung einer Phase L1 des Drehstrom­ netzes 6 und der Phasenstrom der beiden geschalteten Phasen L1 und L2 des Drehstromnetzes 6 gemessen und der Steuer und Rege­ lungsschaltung 8 zugeführt. Zwischen dem Vierquadrantensteller 12 und den beiden geschalteten Phasen L1 und L2 des Drehstrom­ netzes 6 ist eine Netzdrossel 13 geschaltet, die aus zwei Wick­ lungshälften besteht und die in die Drehstrom-Ein-Rückspeise­ einheit 11 integriert ist.

Die Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit 11 arbeitet nach dem Hoch­ setzstellerprinzip. Hierbei ist die Gleichspannung des Zwischen­ kreises immer höher als die maximal zu erwartende Netzleiter­ spannung. Ist dies zum Beispiel durch falsche Einstellung des Zwischenkreisspannungsreglers nicht gegeben, so kann der ge­ wünschte sinusförmige Netzstrom nicht sichergestellt werden. Die Ursache hierfür liegt in den sechs Freilaufdioden, die in der Transistorbrücke des Vierquadrantenstellers 12 enthalten sind. Die Freilaufdioden wirken als ungesteuerte Diodenbrücke, sobald die Netzleiterspannung die Zwischenkreisspannung übersteigt. Damit bildet sich über der ungesteuerten Diodenbrücke Netzströme aus, die nicht kontrollierbar sind und zu unerwünschten Netz­ strom-Oberwellen führen.

Durch die Verwendung eines Vierquadrantenstellers 12 anstelle einer B6-Transistorbrücke sind weniger Leistungsbauelemente und Schutz- und Ansteuerungsfunktionen erforderlich. Zudem kann die Netzdrossel 13 auf eine Netzdrossel mit zwei Wicklungshälften reduziert werden. Der Aufwand für die Netzfilter wird ebenfalls reduziert. Zudem sind weniger Meßgrößen zu erfassen, so daß auch die Sensorik und das Regelungsverfahren vereinfacht wird.

Die Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit 11 kann mit beliebigen an­ deren Antriebsumrichtern z. B. als Zusatzgerät für bestehende An­ lagen kombiniert werden. Hierzu wird der Vierquadrantensteller 12 lediglich an den Gleichspannungs-Zwischenkreis 3 eines An­ triebsumrichters angeschlossen, ohne das die vorhandene Instal­ lation und Drehstromversorgung des Antriebsumrichters geändert werden muß. Der Anschluß kann nicht nur an rückspeisefähige Pulswechselrichter 2 erfolgen, wie in der Fig. 1 gezeigt ist. Es ist auch möglich, die Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit 11 mit nicht rückspeisefähigen Antriebsumrichtern zu kombinieren, bei denen z. B. die Netzeinspeisung mit einer B6-Diodenbrücke er­ folgt. Dadurch, daß die Steuer- und Regelungsschaltung 8 so aus­ gebildet ist, daß die mittlere Zwischenkreisspannung so gering wie möglich ist und die Zwischenkreisspannung immer größer als die Netzleiterspannung ist, wird die B6-Diodenbrücke des nicht rückspeisefähigen Antriebsumrichters deaktiviert. Hierdurch sorgt der Netzstromrichter 5 für die netzfreundliche Leistungs­ aufnahme und Energierückspeisung.

Die Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit 11 kann auch für Anwendungen eingesetzt werden, in denen weniger der Aspekte der Netzrückwir­ kungen als vielmehr die Notwendigkeit der Energierückspeisung von Interesse ist. Hierdurch kann der Aufwand für sonst benötig­ te Ballastschaltungen eingespart und Energiekosten gesenkt wer­ den, wobei der Netzstromrichter 5 nur die Energierückspeisung übernimmt. Aufgrund der begrenzten Wirkungsgrade der Netzrück­ speisung vom Drehstromantrieb 3 reicht es hierbei aus, die Nennleistung des Netzstromrichters 5 deutlich kleiner zu bemes­ sen, als in einem Netzstromrichter 5, der auch als Energieein­ speiseeinheit dient.

Die Fig. 4 läßt eine herkömmliche Versorgungsschaltung für den Gleichspannungszwischenkreis 3 über eine nicht rückspeisefähige B6-Diodenbrücke 14 erkennen. Diese Stromversorgung ist nicht rückspeisefähig, d. h. es kann nur elektrische Leistung dem Dreh­ stromnetz 6 entnommen und dem Drehstromantrieb 3 zugeführt wer­ den. Fallen bei entsprechenden Anwendungen, wie bei Hubwerken und Reversierantrieben, große Bremsleistungen an, so muß diese im Antriebsumrichter 15 durch Ballastwiderstände oder auf andere Weise in Wärme umgesetzt werden.

Claims (9)

1. Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit (11) mit einem Gleich­ spannungszwischenkreis (3), der über einen Netzstromrichter (5) an das Drehstromnetz (6) geschaltet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Netzstromrichter (5) ein Vierquadran­ tensteller (12) ist und an zwei Phasen des Drehstromnetzes (6) angeschlossen ist.

2. Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit (11) nach Anspruch 1, wobei der Gleichspannungszwischenkreis (3) über einen Antriebs­ richter an einen Drehstromverbraucher geschaltet ist, da­ durch gekennzeichnet, daß der Antriebsumrichter eine rück­ speisefähige, pulsgesteuerte Transistorbrücke (7) ist.

3. Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit (11) nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche mit einer Netzdrossel (10) zwischen dem Netzstromrichter (5) und dem Drehstromnetz (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Netzdrossel (10) zwei Wicklungs­ hälften hat, zu einem Entstörfilter zur Unterdrückung von Funkstörungen verschaltet und in die Drehstrom-Ein-Rück­ speiseeinheit (11) integriert ist.

4. Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit (11) nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der An­ triebsumrichter nicht rückspeisefähig ist und die Rückspeisung durch den Netzstromrichter (5) erfolgt.

5. Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit (11) nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Netz­ stromrichter (5) eine geringere Nennleistung hat als der Antriebsumrichter.

6. Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit (11) mit einer Steuer- und Regelungsschaltung (8) für die Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises (3), wobei die Regelungs­ schaltung die aktuelle Zwischenkreisspannung kontinuierlich mißt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Regelungsschaltung so ausgebildet ist, daß:

• - die mittlere Zwischenkreisspannung so gering wie mög­ lich ist und
• - die Zwischenkreisspannung immer größer als die Leiter­ spannung des Drehstromnetzes (6) ist.

7. Drehstrom-Ein-Rückspeiseeinheit (11) nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleich­ spannungszwischenkreis (3) als Gleichspannungs-Versorgungs­ leitung zur Gleichspannungsversorgung weiterer Antriebe und Verbraucher ausgeführt ist.

8. Verfahren zur Ein-Rückspeisung von Drehstrom mit einem Gleichspannungszwischenkreis (3), der über einen Netzstrom­ richter (5) an ein Drehstromnetz (6) geschaltet ist, ge­ kennzeichnet durch Ein-Rückspeisung an nur zwei Phasen des dreiphasigen Drehstromnetzes (6) mit einem Vierquadranten­ steller (12) als Netzstromrichter (5).

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch kontinuier­ liches Messen der Zwischenkreisspannung des Gleich­ spannungszwischenkreises (3) und Einstellen der Zwischen­ kreisspannung derart, daß die mittlere Zwischenkreis­ spannung so gering wie möglich ist und die Zwischenkreis­ spannung immer größer als die Leiterspannung des Drehstrom­ netzes (6) ist.