DE2304229C3 - Verfahren zur Speisung von Drehstrommotoren über in der Frequenz selbst- und lastgeführte statische Thyristor-Umrichter - Google Patents

Verfahren zur Speisung von Drehstrommotoren über in der Frequenz selbst- und lastgeführte statische Thyristor-Umrichter

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speisung von Drehstrommotoren über mehrere in der Frequenz selbst- und lastgeführte statische Thyristor-Umrichter, insbesondere zur Verwendung für Mehrmotorenantriebe in der Chemiefaserindustrie.
In der Chemiefaserindustrie werden in zunehmendem Maße zur Speisung der elektrischen Antriebe von Treibwalzcn, Galetten, Spinnpumpen, Changierung u. dgl. einer Arbeitsmaschine statische Umrichter mit Thyristoren benutzt, von denen jeder jeweils eine Reihe gleichartiger, an einer Lastschiene liegenden Motoren speist. Eine derartige Einrichtung, bei der die einzelnen Umrichter in ihrer Frequenz durch statische Frequenzgeber gesteuert werden, ist beispielsweise aus der DE-AS 12 71 815 bekannt. Jede Lastschiene arbeitet bei dieser bekannten Anordnung in der Regel mit einer spezifischen Frequenz. Auf diese Weise können in einem Umformerraum z. B. oder mehr verschiedene Umrichter stehen, die die einzelnen Antriebsgruppen der verschiedenen Frequenzebenen versorgen.
Damit beim Ausfall schon eines Umrichters nicht die ganze Arbeitsmaschine bis zur Reparatur des ausgefallenen Umrichters stillgesetzt werden muß — was einen erheblichen Produktionsausfall bringt — geht man heute mehr und mehr dazu über, einen Reserveumrichter zu installieren, der für den ausgefallenen Umrichter einspringen kann.
Um den reparierten Umrichter einsetzen zu können, war es bisher im allgemeinen notwendig, die Produktion der Arbeitsmaschine zu unterbrechen,
ίο den Reserveumrichter abzuschalten und die Maschine mit dem reparierten Umrichter erneut anzufahren, da brauchbare Synchronisiereinrichtungen für statische Umrichter in den hier vorliegenden Frequenzbereichen und Spannungsformen nicht vorhanden sind.
Bei von statischen Umrichtern gespeisten Synchronmotoren ist es bekannt, die Steuerfrequenzen der Wechselrichter beim Hochlauf der Motoren zunächst von einem elektronischen einstellbaren Taktgeber abzuleiten und bei Gleichheit zwischen Takt-
ao geberfrequenz und einer gewünschten anderen Frequenz, z. B. Netzfrequenz, die Steuerung der Wechselrichter auf diese andere Frequenzquelle umzuschalten. Die Gleichheit zwischen Taktgeberfrequenz und Netzfrequenz wird dabei mit einem Synchron-
finder überwacht (vergleiche z. B. Siemens-Zeitschrift 1965, S. 889 bis 894 . insbesondere Bild 9).
Es hat auch nicht an Versuchen gefehlt, die aus der klassischen Starkstromtechnik bekannten Synchronisierverfahren für Umrichter auch im vorliegenden Fall einzusetzen; die Ergebnisse waren aber keineswegs befriedigend, da in der Spinntechnologie ein mit Rücksicht auf den Faden stoßarmen Übergang von einem Umrichtersystem auf das andere System gefordert wird. Die bisher bekannten Verfahren beruhten im wesentlichen darauf, die Phasenlage, Frequenz und Spannung der zu synchronisierenden Umrichter in Art einer Hell-Dunkel-Schaltung an den Ausgängen der Umrichter abzufragen, abzugleichen und dann umzuschalten. Trotz der scheinbar erreichten Synchronisierung ist es hierbei immer wieder zu unzulässigen Stromstößen gekommen, die einen sofortigen Ausfall des Umrichters zur Folge hatten und damit letzten Endes doch das unerwünschte Neuanfahren der Arbeitsmaschine mit all den Folgen wie Produktionsausfall und Minderungen der Qualität des Ausgangsproduktes in der aufgezwungenen Anfahrphase.
Die Aufgabe des vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine Synchronisierung zweier Umrichter stromstoßarm, vollautomatisch und zuverlässig in einem weiten Frequenzbereich mit verhältnismäßig geringem Aufwand vorgenommen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Synchronisierung zweier Umrichter vor Übernahme der Motorlast von einem Umrichter auf einen anderen das zeitliche Auftreten der Steuerbefehle für die Thyristoren der beiden Umrichter zum Vergleich von Phasenlage und Frequenz dient und daß ein vorgegebenes Übereinstimmen dieser zeitlich selbsttätiggegeneinander verschiebbaren Steuerbefehle innerhalb eines definierten Tolernnzbereichcs den Übernahmebefehl bei zusätzlichen Übereinstimmen der Spannung auslöst.
Diese vorgenannte Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß die blockförmige Alisgangsspannung der statischen Umrichter durch die Gegenspannung der
meist für sinusförmige Spannungen ausgelegten Motoren derart verzerrt wird, daß hieraus abgeleitete Signale für den Synchronisiervorgang nicht verwendbar sind und daß nur aus dem Steuerteil einwandfreie Synchronisierdaten abgeleitet werden können. Diese Ableitung der Synchronisierdaten aus dem Logikteil der Umrichter hat zusätzlich noch den Vorteil, daß die sofortige Weiterverarbeitung dieser Signale mit dem gleichen niedrigen Spannungspegel wie im Logikteil möglich ist.
Durch eine auf diese Weise sichergestellte Synchronisation ist der ArbeitsmaschinenstiUstand beim Umschalten von Reserveumrichter auf den reparierten Originalumrichter ausgeschlossen; hierdurch werden auch die sich beim Neuanfahren zwaiigläufig ergebenden Schwankungen in der Güte der Produktion vermieden. Zusätzlich zu diesen Vorzügen ist es mit dem genannten Synchronisierverfahren möglich, einen beliebigen Umrichter ohne Unterbrechung der Produktion durch einen Reserveumrichver zu ersetzen und gegebenenfalls zu warten und zu überho'on. Dies hat ganz beträchtliche Vorteile für die betriebliche Wartung und Kontrolle der elektrischen Einrichtungen.
Um den meß- und schaltungstechnischen Aufwand zu verringern, kann das Referenzsignal für die Phasenlage der zu synchronisierenden Umrichtung auch für die Überwachung der Frequenzgleichheit benutzt werden; d. h. ein mehrmaliges übereinstimmen in der Phasenlage der Umrichtung ist bei der Genauigkeit der Referenzsignale als Kriterium für die Übereinstimmung in der Frequenz verwendbar.
Damit kann auf eine gesonderte Frequenzüberwachung verzichtet werden.
Um Phasenübereinstimmung bei z. B. mit digitalen Frequenzgebern arbeitenden und auf gleiche Frequenz dekadisch voreingestellten Umrichtern zu erreichen, wird vorteilhaftenvci.se einer der Umrichter um einen im Verhältnis zur Arbeitsfrequenz sehr geringen Frequenzbetrag selbsttätig verändert und bei Übereinstimmung in der Phasenlage diese Veränderung selbsttätig wieder rückgängig gemacht.
Stimmen die Phasen überein, so wird der synchronisierte Umrichter durch den Ubernahmebefehl auf die Lastschiene geschaltet, und zwai überlappend mit dem ersten Umrichter, so daß die Last immer geführt läuft. Erst jetzt wird der erste Umrichter von der Lastschiene getrennt. Während der Umschaltphasc bleiben Phasen- und Frequenzglcichhcit, bedingt durch die mit Quarzgenauigkeit laufenden Geber, mit Sicherheit erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist verwendbar für Umrichter mit variablem Zwischenkreis durch einen nctzgeführten Stromrichter, bzw. durch einen Gleichstromsteller oder für Umrichter mit festem Zwischenkreis und Pulsmodulation im selbstgeführtcn Stromrichter.
An Hand einer Zeichnung sei die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 die Synchronisation zweier Umrichter und Kig. 2 Details der Phasenvcrgleidismiordnung.
Aus einem Wechselstroinnet7 IiST mit 50 Hz und 380 V wird ein statischer Umrichter I gespeist, der an seinem Ausgang eine blockförmigc Spannung mit einer einstellbaren Frequenz von z. B. 20 bis 200 Hz und einer Spannung vor 30 bis 360 V abgeben kann. Diese Ausgangsspaniing ist über eine Induktivität 6 und einen Schalter 7 eines Schützes 8 an eine Lastschiene 9 anschaltbar, an der permanenterregte Synchronmotoren JO zum Antrieb von beispielsweise nicht gezeigten Spinnpumpen angeschlossen sind. Ferner ist noch ein zweiter Umrichter II dargestellt,
der ebenfalls über eine Induktivität 17 und einen von einem Schütz 15 betätigten Schalter 16 an die Lastschiene 9 angeschlossen werden kann. Die Umrichter I und II, von denen nur der Umrichter I etwas näher dargestellt ist, bestehen aus einem steuerbaren
ίο Gleichrichter I bzw. 11, einem Gleichstromzwischenkreis 2 bzw. 19 und einem sich daran anschließenden Wechselrichter 3 bzw. 12. Die Spannung im Gleichstromzwischenkreis und damit die Höhe der Ausgangsspannung wird durch Spannungseinstellgeräte 4 bzw. 13 festgelegt. Die Frequenz der Ausgangsspannung der Wechselrichter 3 bzw. 12 wird durch die Steuerteile 5 bzw. 14 bestimmt, die von digitalen Gebern 51 bzw. 18 angesteuert werden. Diese digitalen Geber haben als Zeitnormal einen hochgenauen Quarzoszillator.
Der Wechselrichter 3 bzw. 12 besteht im wesentlichen aus einer Brückenschaltung mit Thyristoren, denen die Zündimpulse in festgelegter Reihenfolge durch die Steuerteile 5 bzw. 14 zugeführt werden, so daß sich die gewünschte Ausgangsspannung mit der voreingestellten Frequenz ergibt.
Es sei angenommen, daß der Umrichter I die Lastschiene 9 speist und daß der Umrichter II diese Lastschiene 9 unterbrechungs- und stromstoßarm übernehmen soll. Hierzu wird zunächst am digitalen Geber 18 (Umrichter II) die gleiche Frequenz wie am digitalen Geber 51 (numerisch über Dekadenzahlenschalter) eingestellt. Die Spannungen Ul und 1/2 der Umrichter I und II werden in der Synchronisiereinrichtung 20 miteinander verglichen und ein der Abweichung proportionales vorzeichenrichtiges Signal \U 2 erzeugt, welches das Spannungseinstellglied 13 so aussteuert, daß sich annähernd gleiche Amplituden der Spannungen ergeben. Diese Spannungsanpassung ist n:r:ht weiter kritisch und braucht auch nicht hochgenau zu sein.
Zum Vergleich der Phasenlagen 1 und 7. und der Frequenzen /I und /2 der Umrichter I, II werden die jeweils an definierte Thyristoren in beiden Unirich-
+5 tern gegebenen Zündimpulse benutzt, z. B. für die mit Phase R und dem Minuspol verkuppelten Thyristoren in beiden Umrichtern. Dies ist im Umrichter I der Thyristor 31. Die zeitliche Lage der Zündimpulse dieser Thyristoren wird als Vergleichssignal für die momentane Phasenlage der Umrichter I und II benutzt. Tritt eine zeitliche Koinzidenz der Zündimpulse auf. so liegt Phasengleichheit vor. Tritt diese Koinzidenz in mehreren Perioden innerhalb eines vorgegebenen Tolern.nzbandes auf, so ist außer ücr Phasengleichheit auch Frequenzgleichheit gegeben.
Normalerweise sind die Frequenzen durch die digitalen Geber 51 und 18 so genau definiert, daß sich bei gleicher Frequenzeinstellung die Phasengleichheil nur langsam einstellt. Abhängig von dem Vorhandensein der Phasenungleichheit wird daher die Frequenz /2 selbsttätig um den fest programmiere:! Wert. 1/2 verändert. Dieser Wert.1/2 ist der kleinste einstellbare Frequenzänderungswert, z. B. das kleinste Ui; in der Eingabe. Hit·durch verschiebt sich die zeit-
6; liehe Aufeinanderfolge von 7 1 und 7 2 langsam gegeneinander. Tritt Koinzidenz auf. d. h. Phasengleichheit, so wird die Veränderung 1/2 rückgängig gemacht, so d=iß nun auch die Freciuenzen wieder über-
einstimmen, was sich dann durch mehrmaliges Wiederholen der Phasenkoinzidenz bemerkbar machen wird.
Stimmen somit Phase, Frequenz, Amplitude der Ausgangsspannungen der Umrichter I und II überein, so wird der Umrichter II über den Schalter 16 des Schützes 15 auf die Lastschiene 9 zugeschaltet und der Umformer I über den Schalter 7 des Schützes 8 zeitverzögert abgeschaltet. Der analoge Vorgang, also Änderung von ll/l und Frequenzänderung. 1/1 findet statt, wenn vom Umformer Il auf den Umformer 1 umgeschaltet werden soll. Es wird grundsätzlich immer der zuzuschaltende Umrichter beeinflußt, so daß die Lastschiene mit dem momentanen Umrichter vom Abgleichvorgang nicht berührt wird.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Synchronisierung von Umrichtern mit digitalen Gebern oilt cinnnpmäd mirh für I Imrirhtpr mit analnopn Opwird. Hierdurch schaltet der Grenzwertmelder 27 un und gibt iin seinem Ausgang ein Signal ab.
Die von den Zündimpulsen für die Umrichter und If abgeleiteten Impulse für den Phasenvergleic! ij 1, ν 2 gelangen über Impulsformer 22 zur Einstel lung des Toleranzbereiches an ein UND-Gatter 21. So lange die Impulse zeitlich nicht koinzident sind, lieg keine Phasengleichheit vor und damit auch kein Aus gangssignal am Ausgang des Gatters 21. Dies bedeu
ίο tet, daß sich der Kippspeicher 23 in einer solchei Stellung befindet, daß sein Ausgtpgssignal eine de finierte Veränderung .1/2 der Frequenz des Unifor mers II bcv.irkl: z. B. dadurch, daß das kleinste Bi der Frequenzeinstellung durch den Kippspciclier 2'.
verändert wird. Tritt hierdurch Phasengieicnheii nacl einiger Zeit ein. so gelangen die Impulse zeitlich ko inzident an das Gatter 21. Dieses wird durchlass!) unii IHnnt Hpn KinnQnpirhpr "2Λ 7iiriirli in HaU rlii
bcrn und nachfolgender Analog-Digital-Umsetzung, bei der bei festgestellter Phasenungleichheit die Frequenz und Phasenlage des zuzuschaltenden Umrichters so lange langsam verändert wird, bis Phasen- und Frcqiienzgleichheit festgestellt wird.
An Hand von Fig. 2 seien einige nähere Ausführungen zum Aufbau der Synchronisiereinrichtung 20 gemacht.
Die beiden Spannungen V1 und Ul werden an einem Differenzverstärker 28 angelegt und abhängig von der Differenz I Ul das Spannungseinstellglied 13 so lange nachgestellt, bis die Differenz (172 zu Null Frequenzänderung 1/2 rückgängig gemacht wird Gleichzeitig wird auch durch das jedesmal durchge schaltete Signal am Ausgang des Gatters 21 der Zäh ler 24 um einen Schritt weitergezählt. Bei einem be stimmten Stand des Zählers 24, der einer cntspre chcnden mehrmaligen Phasengleichheit und dami auch Frequenzgleichheit entspricht, gibt auch de Zähler 24 ein Ausgangssignal ab, so daß die UND Bedingungen am Gatter 25 für Spannung. Frequen; und Phasenlage erfüllt sind. Damit wird die Kippstufi 26 angestoßen, so daß Schütz 15 zuschaltet um Schütz 8 verzögert ausschaltet.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Speisung von Drehstrommotoren über mehrere in der Frequenz selbst- und lastgeführte statische Thyristor-Umrichter, insbesondere zur Verwendung für Mehrmotorenantriebe in der Chemiefaserindustrie, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung zweier Umrichter vor Übernahme der Motorlast von einem Umrichter auf einen anderen das zeitliche Auftreten der Steuerbefehle für die Thyristoren der beiden Umrichter zum Vergleich von Phasenlage und Frequenz dient und daß ein vorgegebenes Übereinstimmen dieser zeitlich selbsttätig gegeneinander verschiebbaren Steuerbefehle innerhalb eines definierten Toleranzbereiches den Übernahmebefehl bei zusätzlichem Übereinstimmen der Spannungen auslöst.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrmalige Übereinstimmung in der Phasenlage der Steuerbefehle der Umrichter als Kriterium für die Übereinstimmung in der Frequenz dient.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der für jeden Umrichter ein eigener Frequenzgeber vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das selbsttätige Verschieben der Steuerbefehle gegeneinander dadurch bewirkt ist, daß der Frequenzgeber des die Motorlast übernehmenden Umrichters um einen im Verhältnis zur Arbeitsfrequenz sehr geri-.gen Frequenzbetrag selbsttätig verändert wird und daß bei Messung der Übereinstimmung in der Phasenlage diese Veränderung selbsttätig rückgängig gemacht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übernahmebefehl ein überlappendes Zu- und Abschalten der Umrichter (I, II) an der Motorlastschiene (9) bewirkt.
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