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Verfahren zum Notbetrieb eines eine Drehfeldmaschine speisenden Umrichters
und Vorrichtung zur DurchfUhrung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Notbetrieb eines eine Drehfeldmaschine speisenden Umrichters mit einem selbstgefUhrten
Wechselrichter, einem Gleichstromzwischenkreis mit Glättungadrossel und einem an
eine Versorgungsspannung angeschlossenen gesteuerten Gleichrichter. Die Erfindung
betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur DurchfAhrung des Verfahrens, wobei ein eingangsseitig
mit einem Drehzahlsollwert und einem von einem Tachogenerator gelieferten Drehzahlistwert
versehenes Drehzahlsteuergerät einerseits den Wechselrichter silber einen Spannung
Frequenz-Umsetzer und eine Ansteuereinheit fAhrt und andererseits über ein Stromabfragegerät
einen Sollwert für ein dem gesteuerten Gleichrichter zugeordnetes Stromnteuergerät
vorgibt, dem ein Stromistwert zugekehrt ist und das über ein nachgeschaltetes ZUndwinkelsteuergerät
die Steuerung der Ventile des Gleichrichters bewirkt.
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Ein solcher selbstgeführter Weehselrichter mit vorgeschaltetem Gleichstromzwischenkreis
ist beispielsweise aus Bu iko, 3d. 47, Nr. 2, Seiten 236 bis 241 bekannt.
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Es ist bekannt, daß bei derartigen Wechselrichtern mit vorgesohaltetem
Gleichstromzwischenkreis Kommutierungsstörungen auftreten können, wenn der Eingangsstrom
des Wechselrichters unter einen bestimmten Wert absinkt. Demzufolge ist bei Unterbrechungen
oder Einbrüchen der Versorgungsspannung damit zu rechnen,
daß im
Wechselrichter Kommutierungastörungen auftreten. Im folgenden gilt als Unterbrechung
der Versorgungsspannung auch ein hinreichend starker Einbruch der Versorgungsspannung.
Im Fall einer vergleichsweise langen Unterbrechung der Versorgungsspannung, bei
der - selbst wenn Kommutierungsstörungen eingetreten sind - die Wiederkehr der Versorgungsspannung
erst erfolgt, nachdem der Wechselrichterstrom auf Null abgesunken ist, sind kaum
Schäden zu befürchten. Anders ist dies im Falle kurzzeitiger Unterbrechungen der
Versorgungsspannung, bei denen die Wiederkehr der Versorgungsspannung erfolgt, bevor
der Strom im Wechselrichter voll abgeklungen ist. Hierbei besteht unmittelbar nach
der Wiederkehr der Versorgungsspannung die Gefahr exzesiver Kurzschlußströme, die
den Wechselrichter und Teile des Gleichrichters schwer beschädigen können. Um die
oben erwähnte Gefahr auszuschließen, wäre es notwendig, im vornherein die Zeitspanne
bis zur Wiederkehr der Versorgungsspannung zu ermitteln.
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Dies ist jedoch kaum möglich. Daher ist es notwendig, den Betrieb
des Gleichrichters unmittelbar nach der Unterbrechung der Versorgungsspannung einzustellen
und damit die Einspeisung des Gleichstroms in den Wechselrichter, um den Betrieb
des selbstgeführten Wechselrichters zu beenden. Nach der Wiederkehr der Versorgungsspannung
wird der selbatgeführte Wechselrichter neu gestartet. Ist jedoch der Wechselrichter
erst einmal außer Betrieb gesetzt, entsteht unvermeidbar eine Totzeit für den Neustart,
die nicht ohne Einwirkung auf den Betrieb des Gesamtsystems bleibt. Im Fall einer
vergleichsweise langen Unterbrechung der Versorgungsspannung, bei der die Maschinendrehzahl
auf annähernd Null zurückgeht, ist es unvermeidbar, den Wechselrichter stillzusetzen.
Im Fall einer kurzzeitigen Unterbrechung der Versorgungsspannung im Bereich bis
zu Sekunden ist es wünschenswert, den Wechselrichter kontinuierlich weiterzubetreiben,
um Einwirkungen auf den Betrieb des Gesamtsystems weitgehend auszuschließen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, das es gestattet, den Wechselrichter im Fall kurzzeitiger
Unterbrechungen der Versorgungsspannung
weiter zu betreiben, ohne
aaß Notstromquellen, wie BatCerieH und Generatoren, zenötiee weraen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Einbruch
oder einer Unterbrechung der Versorgungsspannung alle Ventile des Gleichrichters
gezUndet werden und daß die von der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters abhängige
synchrone Drehzahl unter die Istdrebzahl der Drehfeldmaschine abgesenkt wird, wenn
ein Betriebsistwert der Drehfeldmaschine einen vorgegebenen Sollwert unterschreitet.
Eine vorteilhafte Anordnung zur Durch ftihrung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß netzseitig eine tberwachungseinheit vorgesehen ist, die bei einetn
Einbruch oder einer Unterbrechung der Versorgungsapannung ein Signal an eine Betriebssteuereinheit
abgibt, um Uber die Betriebssteuereinheit und das Zdndwinkelsteuergerät alle Ventile
des Gleichrichters gleichzeitig zu zilnden, beim Drebzahisteuergerät Null-Haltung
zu erzwingen und ein.weitere.s Stromsteuergerät in Gang zu setzen, dem eingangsseitig
der Stromistwert und ein weiterer Stromsollwert zugekehrt ist, und das bei Unterschreitung
des weiteren Stromsollwertes fieber den Spannungs-Frequenz-Umsetzer eine Absenkung
der durch den Wechselrichter vorgegebenen synchronen Drehzahl unter die Drehzahl
der Drehfeldmaschine bewirkt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausfahrungsbeispielen in
den Figuren 1 und 2 näher erläutert. Die Ausfahrungsbeispiele in den Figuren 1 und
2 sind in Form von Blockschaltbildern dargestellt.
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In den Figuren 1 und 2 ist ein dreiphasiges Versorgungssystem 1 mit
einem Gleichrichter 2 verbunden, der Thyristoren in einer dreiphasigen BrAckenschaltung
aufweist und dessen Gleichspannungsausgang über eine Glättungadrossel 3 mit einem
selbstgeführten Wechselrichter 4 in dreiphasiger Brückenschaltung verbunden ist.
Als selbstgeführter Wechselrichter 4 ist ein bekannter dreiphasiger Wechselrichter
eingesetzt, der Thyristoren in dreiphasiger Brückenschaltung, zu den Thyristoren
in Reihe geschaltete Dioden und sechs Kommutierungskondensatoren aufweist.
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Als selbstgeführte Wechselrichter 4 können verschiedene bekannte
Arten
von Wechselrichtern mit Gleichstromzwischenkreis eingesetzt werden, beispielsweise
auch Wechselrichter mit Löschthyristoren, wie sie in Bd. 47, Heft 2 von Fuji-jiko
auf Seite 236 in Figur 1 dargestellt sind. Die Wechselspannungsklemmen des selbstgeffihrten
Wechselrichters 4 sind beispielsweise mit den Statorwicklungen einer dreiphasigen
Induktionsmaschine 5 verbunden.
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Zfindimpulse fUr die einzelnen Thyristoren werden durch eine Ansteuereinheit
6 geliefert. Die Ansteuereinheit 6 wird von einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 7
mit einem Impulszug gesteuert.
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Der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 7 dient dazu, eine einem Frequenzsollwert
entsprechende Spannung in einen Impulszug mit spannungsproportionaler Frequenz umzusetzen.
Die Spannung als Frequenzsollwert für den Wechselrichter kann durch ein Drehzahlsteuergerät
8 geliefert werden. Das Drehzahlsteuergerät 8 dient dazu, um den Istwert der Drehzahl,
der von einem mit der Welle der Induktionsmaschine 5 gekoppelten Tachogenerator
geliefert wird, mit dem von einen Drenzahleinsteller 9 gelieferten Drehzahlsollwert
in Übereinstimmung zu bringen. Die Ausgangsspannung des Drehzahlsteuergerätes 8
wird auch einem Stromabfragegerät 10 zugefahrt. Das Stromabfragegerät 10 dient dazu,
um die Ausgangsspannung des Drehzahlsteuergerätes 8 in einen Absolutwert umzuwandeln,
um damit einen Stromsollwert für ein Stromsteuergerät 11 der nächsten Stufe vorzugeben.
Das Stromsteuergerät 11 der nächsten Stufe weist eine nichtlineare Kennlinie auf,
die die Beziehung zwischen Drehmoment und Strom der elektrischen Maschine 5 berücksichtigt.
Ein Zündwinkelsteuergerät 12 erzeugt Zündimpulse für die einzelnen Thyristoren des
Gleichrichters 2 mit einem Zündwinkel, der durch die Ausgangsspannung des Stromabfragegerätes
10 vorgegeben ist. In diesem Fall dient das Stromsteuergerät 11 dazu, einen von
einem Stromwandler 13 gelieferten Stromistwert mit einem vom Stromabfragegerät 10
abgeleiteten Stromsollwert in Einklang zu bringen. Der Stromwandler 13 dient hierbei
als Gleichstromwandler, um den Strom im Gleichstromzwischenkreis zu erfassen. Stattdessen
kann jedoch auch ein Wechselstromwandler verwendet werden, um den Wechselstrom im
Gleichrichter 2
oder im Wechselrichter 4 zu erfassen und diesen
in einen Gleichstrom umzuwandeln, der als Stromistwert entnommen werden kann.
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Wird ein Stromwandler auf der Wechselspannungsseite des Gleichrichters
2 eingesetzt, kann der Strom bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung nicht
erfaßt werden. Dies erfordert die Installation eines weiteren Stromwandlers, der
bei Unterbrechungen der Versorgungsspannung einen Istwert liefert. Aus diesem Grund
ist es günstig, einen Stromwandler auf der Gleichspannungsseite oder der Wechselspannungsseite
des Wechselrichters, wie in den Figuren 1 und 2 vorzusehen. Die beschriebene Anordnung
ermöglicht die Drehzahlsteuerung der Drehfeldmaschine unter annähernder Konstanthaltung
des magnetischen Flusses der Maschine.
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Um den Notbetrieb gemäß der vorliegenden Erfindung auszufahren, ist
ein weiteres Stromsteuergerät 17 für den ausschließlichen Einsatz bei Unterbrechungen
oder Einbrüchen der Versorgungsspannung vorgesehen, dem ein Stromsollwert von dem
weiteren Stromeinsteller 18 und ein Stromistwert von dem Stromwandler 13 zugefAhrt
ist. Die Ausgangsspannung des weiteren Stromsteuergeräts 17 wird dem Eingangskreis
des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 7 zugeführt, wo sie der Ausgangsspannung des Drehzahlsteuergerätes
8 hinzugefügt wird.
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Zur Überwachung der Spannung des dreiphasigen Stromversorgungssystems
1 auf Spannungsunterbrechungen oder Einbrüche ist eine Überwachungseinheit 19 vorgesehen,
deren Ausgangssignal einer Betriebssteuereinheit 20 zugeführt ist.
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Die Betriebssteuereinheit 20 dient dazu, um bei voller Netzspannung
den Ausgang des weiteren Stromsteuergeräts 17 spannungslos zu halten und den Betrieb
anderer Steuerkreisteile freizugeben.
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Die Uberwachungseinheit 19 dient dazu, im Fall eines kurzzeitigen
Absinkens der Versorgungsspannung unter einen vorgegebenen Wert an die Betriebssteuereinheit
20 ein eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigendes Signal abzugeben.
Beim Eingang eines solchen eine Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigenden
Signals in der Betriebssteuereinheit 20 gibt diese einen
Befehl
an das Ziindwinkelsteuergerät 12 ab, alle Thyristoren gleichzeitig zu zünden, die
erzwungene Spannungslosigkeit des Ausgangs des weiteren Stromsteuergeräts 17 aufzuheben
und beim Drehzahlsteuergerät 8 Null-Haltung zu bewirken. Durch die Freigabe des
weiteren Stromsteuergeräts 17 und durch die Null-Haltung des Drehzahlsteuergerätes
8 kann der dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 7 zugeführte Frequenzsollwert durch das
weitere Stromsteuergerät 17 vorgegeben werden. Wenn nun der Istwert des Stroms durch
die Drehfeldmaschine einen durch den weiteren Stromeinsteller 18 vorgegebenen Sollwert
unterschreitet, wird das weitere Stromsteuergerät 17 aktiv und verringert den an
den Spannungs-Frequenz-Umsetzer 7 abgegebenen Frequenzsollwert, so daß die von der
Ausgangsfrequenz des selbstgeführten Wechselrichters 4 abhängige synchrone Drehzahl
unter die Istdrehzahl der Drehfeldmaschine 5 reduziert wird, so daß ein generatorischer
Betrieb der Drehfeldmaschine 5 ermöglicht ist. Demzufolge wird die kinetische Energie
der Drehfeldmaschine in elektrische Energie umgewandelt, die der Glättungsdrossel
3 über den Wechselrichter 4 und die gleichzeitig gezündeten Thyristoren des Gleichrichters
2 zugeführt wird. Während einer Unterbrechung der Versorgungsspannung fällt die
Maschinendrehzahl in der oben erwähnten Art ab, wobei ein Betrieb bewirkt wird,
bei dem die generatorischen Betriebsbedingungen der elektrischen Maschine so gesteuert
werden, daß der Strom in der Maschine auf einem konstanten Wert bleibt. Dies geschieht
dadurch, daß ein entsprechender Abfall der Frequenz des Wechselrichters und damit
der synchronen Drehzahl ermöglicht wird.
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Es kann der Fall eintreten, daß keine völlige Unterbrechung der Versorgungsapannung
erfolgt, sondern ein Teil der Versorgungsspannung erhalten bleibt. In diesem Fall
kann der Gleichrichter 2 als ungesteuerter Gleichrichter arbeiten und weiterhin
Energie an die Glättungsdrossel 3 abgeben. In einem solchen Fall wird Jedoch die
Frequenz des Wechselrichters automatisch durch das weitere Stromsteuergerät 17 erhöht,
um die motorischen Betriebibedingungen für die Drehfeldmaschine wieder herzustellen.
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Damit kann die Gefahr, daß durch einen exzessiven Strom eine
Sättigung
des magnetischen Flusses in der Drehfeldmaschine auftritt, ausgeschlossen werden1
so daß kontinuierlich ein sicherer Betrieb des Wechselrichters 4 bewirkt ist.
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Der Betrieb des Wechselrichters 4 und des Gleichrichters 2 wird lediglich
dann ausgesetzt, wenn die Maschinendrehzahl unter einen vorgegebenen Wert als Folge
einer längeren Unterbrechung der Versorgungsspannung abfällt und demzufolge der
generatorische Betrieb der Drehfeldmaschine nicht länger fortführbar ist.
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Bei einer kurzzeitigen Unterbrechung der Spannungsversorgung wird
der Wechselrichter kontinuierlich weiterbetrieben. Mit der Wiederkehr der Versorgungsspannung
und Beendigung des von der oberwachungseinheit 19 abgegebenen, eine Unterbrechung
der Versorgungsepannung anzeigenden Signals an die Betriebssteuereinheit 20 wird
durch letztere der Befehl an das ZUndwinkelsteuergerät 12, alle Thyristoren gleichzeitig
zu wenden, aufgehoben.
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Gleichzeitig wird die Null-Haltung des Drehzahlsteuergerätes 8 beendet.
Ebenfalls gleichzeitig wird durch die Betriebssteuereinheit 20 am weiteren Stromsteuergerät
17 Null-Haltung bewirkt.
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Damit wird der Frequenzsollwert für den Wechselrichter 4 erhöht, so
daß die Maschinendrehzahl durch das Drehzahlsteuergerät 8 auf einen durch den Drehzahleinsteller
9 vorgegebenen Wert zurückgefahrt wird. Der Gleichridhter 2 wird so gesteuert, daß
ein durch das Stromsteuergerät 11 vorgegebener Istwert mit dem durch das Stromabfragegerät
10 vorgegebenen Strom übereinstimmt.
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Wie bereits erwähnt, kann beim Notbetrieb nach der vorliegenden Erfindung
der Betrieb des Wechselrichters sogar während Unterbrechungen der Versorgungsspannung
fortgesetzt werden, so daß eine schnelle Rückkehr zu normalen Betriebsbedingungen
nach Beendigung der Unterbrechung der Versorgungsspannung ermöglicht ist. Darüber
hinaus liegt ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß der Wechselrichter kontinuierlich
während Unterbrechüngen der Versorgungsspannung weiter betrieben werden kann, ohne
daß Notstromquellen, wie beispielsweise Batterien usw., benötigt werden, die die
gesamte Anordnung wesentlich vergrößern
und verteuern wErden.
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Da das Stromsteuergerät 11 in Figur 1 bei dem Betrieb während einer
Unterbrechung der Versorgungsspannung funktionslos ist, ist es vorteilhaft vorzusehen,
daß das Betriebssteuergerät 20 an das Stromsteuergerät 11 einen Null-Halte-Befehl
abgibt.
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Darüber hinaus kann das weitere Stromsteuergerät 17, das ausschließlich
während Unterbrechungen oder Einbrüchen der Versorgungsspannung aktiv ist, durch
ein Steuergerät für den magnetischen Fluß ersetzt werden. Dabei kann der Stromeinsteller
18 als Einsteller für den magnetischen Fluß eingesetzt werden. Dem Istwerteingang
des weiteren Stromsteuergerätes 17 wird der Istwert des magnetischen Flusses der
Drehfeldmaschine zugeführt, der von einem getrennt angeordneten Magnetflußwandler
anstelle des durch den Stromwandler 13 gelieferten Istwertes entnommen wird. Als
ein derartiger Magnetflußwandler kann ein bekannter Flußwandler eingesetzt werden,
der in die Drehfeldmaschine eingebettete Sensoren für das magnetische Feld umfaßt
oder integrierte Elemente aufweist, denen die Klemmenspannung des Motors zugeführt
ist. In einem derartigen Fall wird die Wechselrichterfrequenz so gesteuert, daß
der magnetische Fluß in der elektrischen Maschine während einer Unterbrechung der
Versorgungsspannung konstant bleibt. Jedoch können in den meisten Fällen die praktischen
Anforderungen dadurch erfüllt werden, daß der Notbetrieb mit einem System, wie in
Figur 1 dargestellt, durchgeführt wird, bei dem der Stromfluß während einer Unterbrechung
der Versorgungsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Ferner kann in dem in Figur 1 dargestellten AusfAhrungsbeispiel das
Stromsteuergerät 11 selbst während einer Unterbrechung der Versorgungsspannung verwendet
werden, wobei dann auf das zusätzliche Stromsteuergerät 17 verzichtet werden kann.
Das in Figur 2 dargestellte AusfUhrungsbeispiel zeigt diesen Fall. Das in Figur
2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten
dadurch, daß das Stromsteuergerät 17 weggelassen ist, In dieser Anordnung ist ein
Wechselschalter 21
vorgesehen, der die Eingangsklemmen des Spannungs-Frequenz-Umsetzers
7 alternativ mit den Ausgangsklemmen des Drehzahlsteuergerätes 8 oder den Ausgangsklemmen
des Stromsteuergerätes 11 verbindet. Um einen Stromsollwert während einer Unterbrechung
der Versorgungsspannung vorzugeben, ist eine zusätzliche Vorspannung durch die Betriebssteuereinheit
20 an die Eingangsseite des Stromsteuergerätes 11 angelegt, so daß der Einsatz eines
Stromeinstellers 18 Uberflüssig ist. Der Wechselschalter 21 wird durch die Betriebs
steuereinheit 20 geschaltet und verbindet unter Normalbedingungen die Eingangsklemmen
des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 7 mit den Ausgangsklemmen des Drehzahlsteuergerätes
8.
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Bei einem Ausfall oder Einbruch der Versorgungsspannung legt der Wechselschalter
21 die Ausgangaklemmen des Stromsteuergerätes 11 an die Eingangsklemmen des Spannungs-Frequenz-Umsetzers
7.
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Durch die Blockierung des Drehzahlsteuergerätes 8 während einer Unterbrechung
der Versorgungsspannung fällt die Ausgangsspannung des Stromabfragegerätes 10 auf
einen nahe bei Null liegenden Minimalwert und liefert damit keinen benötigten Stromsollwert.
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Aus diesem Grunde wird die aus dem Betriebssteuergerät 20 abgeleitete
Vorspannung zu der Ausgangs spannung des Stromabfragegerätes 10 hinzuaddiert und
die Summe als Stromsollwert dem Stromsteuergerät 11 zugefahrt. Selbstverständlich
ist in dieser AusfAhrungsform bei einer Unterbrechung der Versorgungsspannung kein
Null-Halte-Befehl an das Stromsteuergerät 11 angelegt. In einer derartigen Anordnung
wird lediglich ein Stromsteuergerät 11 eingesetzt, um im wesentlichen denselben
Steuerkreis wie in Figur 1 während einer Unterbrechung der Versorgungsspannung zu
vervollständigen, wobei ein kontinuierlicher Betrieb des Wechselrichters ermöglicht
ist. Darüber hinaus stellt die Betriebssteuereinheit 20 mit der Beendigung des eine
Unterbrechung der Versorgungsspannung anzeigenden Signals der Überwachungseinheit
19 für jede Untereinheit der Schaltungsanordnung normale Arbeitsbedingungen her,
so daß die Drehfeldmaschine in gleicher Weise, wie im Bezug auf Figur 1 erläutert
wurde, in ihre normalen Betriebsbedingungen zurtickgeffihrt wird.
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10 Patentansprüche 2 Figuren