DE3133311C2

DE3133311C2 - Verfahren zur Synchronisation eines Stromrichter-Synchronmotors mit einem speisenden Netz

Info

Publication number: DE3133311C2
Application number: DE19813133311
Authority: DE
Inventors: Dieder Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Harms; Wolfgang Dipl.-Ing. 2000 Wedel Lösekann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1981-08-22
Filing date: 1981-08-22
Publication date: 1985-03-07
Also published as: DE3133311A1; CA1180375A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Synchronisation eines Stromrichter-Synchronmotors mit einem speisenden Netz über einen Umrichter behandelt, bei dem das Netz und der Motor annähernd gleiche Frequenz aufweisen. Aus der Netzspannung werden über eine Triggerstufe (12) Impulse abgeleitet und mit entsprechenden Impulsen aus einem Drehfeld-Erkennungssystem (4, 13) des Motors (3) in einer Logikverknüpfung (11) verglichen. Bei Phasengleichheit werden die aus der Netzspannung abgeleiteten Impulse zur Steuerung der Ventile auf den Motor-Stromrichter (5) geschaltet und die vom Erkennungssystem abgeleiteten Impulse unterdrückt, wobei gleichzeitig die Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis über den Netzstromrichter (6) auf einen festen Wert eingestellt wird, und dann ein Synchronisierschalter (18, 19) zugeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß den Merkmaien des Oberbegriffs des Kauptanspruches.

In Drehstromantrieben für Schiffe ist es bekannt, über Stromrichter gespeiste Synchronmotoren für den Propellerantrieb einzusetzen, wobei der Stromrichter für den gesamten Drehzahlstellbereich des Motors ausgelegt sein muß. Derartige Antriebe haben aber den Nachteil, daß sie im Teillastbereich einen ungünstigen Wirkungsgrad besitzen und einen zusätzlichen Raumbedarf, eine zusätzliche Kummutierungsblindleistung sowie erhebliche Mehrkosten für den Frequenzumsetzer benötigen.

Ein Schnellsynchronisier-Verfahren ist der JP-Patentanmeldung 54-87 521, Abstract E-54, April 28, 1981, Vol. 5/No. 63 zu entnehmen. Hierin werden Netz- und Motorspannungen verglichen. Solange Frequenzabweichungen vorhanden sind, wird ein Signal ΔΪ auf einen Regler 15 geführt, der über einen Stromrichter dem Synchronmotor eine der Differenz entsprechende höhere oder niedrigere Spannung zuführt. Ist dann die Frequenz abgeglichen, wird von der Frequenz-Vergleichscinrichtung ein weiteres Signal Sy an eine Phasenvergleichseinrichtung gegeben, die Phasenunterschiede zwischen Netz- und Motorspannung ermittelt und ein entsprechendes Signal Δφ auf einen Korrektur-Regler gibt Gleichzeitig liegt das Signal Sv am Regler 15 an und sorgt dafür, daß von ihm keine wetteren die Geschwindigkeit des Motors verändernden Signale ausgegeben werden. Nach dem Phasenabgleich kann der Motor auf das Netz geschaltet werden.

Ist die Frequenz des Primärwandlers, zum Beispiel des Dieselmotors, frei verstellbar, kann eine elektrische

ίο Welle mit ihrem guten Wirkungsgrad eingesetzt werden. Sie kann jedoch auch nur den Drehzahlstellbereich des Primärwandlers ausnutzen. Im darunterliegenden Drehzahlbereich kann der Synchronmotor mit geringem Drehmoment nur asynchron anlaufen. Bei Verwendung einer Turbine als Primärwandler ist zur Erlangung eines hohen Anlaufmomentes eine besondere Anlaufschaltung möglich, die eine Abbremsung der Turbine über Bremswiderstände erfordert. Ein stationärer Betrieb im unteren Drehzahlbereich ist jedoch auch hier

μ nicht möglich.

In der Arbeit von K. Kranen »Gasturboantriebe mit elektrischer Welle für eisbrechende Tanker«. Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft, 72. Band 1978. Seiten 261 bis 276, ist der Vorschlag gemacht worden.

den guten Wirkungsgrad der elektrischen Welle und das gute Momentenverhalten und die Drehzahlverstellmöglichkeit des Umrichterantriebes durch den Einsatz eines Teilumrichters zu vereinigen. Hierin ist statt des asynchronen Anlaufs des Synchronmotors ein Hochlauf über einen Teilumrichter vorgesehen. Der Teilumrichter ist wesentlich kleiner als ein Vollumrichter und läßt Momentenstöße und jede stationäre Drehzahl des Motors zu. Soll von dem Umrichterbetrieb auf den Betrieb mit der elektrischen Welle übergegangen werden, so sind Netz- oder Generatorspannung und die Motorspannung zu synchronisieren und danach ein Synchronisierschalter zu schließen.

Bei diesen bisherigen Verfahren kann nicht erfolgreich synchronisiert werden, wenn in der Zeit zwischen Abgabe des Schaltbefehls für den Synchronisierschalter und dem Schließen des Schalters (Schaltereigenzeit) der Motor durch eine plötzliche Momentenänderung belastet oder entlastet wird. Die Drehzahlregelung des Motors kann wegen der nicht vermeidbaren Zeitkonstanten die momentane Drehzahl nicht aufrechterhalten. Die Motorspannung und die Spannung des Netzes laufen in ihrer Phasenlage im Extremfall soweit auseinander, daß es zu einer Fehlsynchronisation beim Schalten des Synchronisierschalters kommen kann. Die elektrisehe Welle fällt außer Tritt, und es fließen hohe Ausgleichströme, die zur Zerstörung der Anlage führen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit

dem der Übergang vom Umrichterbetrieb auf den Betrieb mit einer elektrischen Welle, d. h„ eine Synchronisation, auch unter Laststößen in vertretbarer Zeit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

ω Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Das Verfahren nach der Erfindung hat den Vorteil, daß mit ihm Drehstromantriebe realisiert werden können, die die Vorzüge der elektrischen Welle und diejenigen des Umrichterantriebes (Drehmomentenwandlung) miteinander verbinden, wobei eine Kosteneinsparung durch den kleineren Umrichter bis zu 80% der Kosten eines Vollumrichiers be·

tragen können.

In der Zeichnung ist ein AusfOhrungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt.

Ein nicht näher bezeichnetes Netz speisender Generator 2 wird von einem Primärwandler 1 angetrieben. An den Phasen des Netzes liegt ein Stromrichter-Synchronmotor 3. auf dessen Welle ein Polradwinkelgeber 4 befestigt ist Der Motor 3 ist über einen Teilumrichter, bestehend aus einem Motorstromrichter 5 und einem Netzstromridiwr6 sowie zwei gleichen Induktivitäten 7 und 8 in den beiden Gleichstromzwischenkreiszweigen, an das Netz angeschlossen. Der Teilumrichter kann nach der Synchronisation mit Hilfe der Trennschalter 9 und 10 herausgeschaltet werden. Der Polradwinkelgeber 4 gibt beim Betrieb des Motors 3 Impulse ab, die auf eine Impulsweiche 11 geführt sind.

Die Impulsweiche U wird zugleich mit Impulsen beaufschlagt, die aus der Netzspannung über eine Triggerschaltung 12 abgeleitet sind. Die Impulsweiche 11 kann an Stelle der Impulse aus dem Polradwinkelgeber 4 auch Impulse erhalten, die aus der Motorspannung abgeleitet und in einer Triggerschaltung 13 gebildet werden. Diese Möglichkeit ist durch die gestrichelte Linie zwischen der Netzzuleitung und der Eingangsleitung der Inipulsweiche 11 angedeutet Neben dieser mechanischen und elektrischen Ableitung der Impulse können diese auch auf magnetischen Wege mit Hilfe von Hall-Generatoren im Luftspalt des Synchronmotors 3 gewonnen werden, die das magnetische Drehfeld erfassen. Die drei eben skizzierten Möglichkeiten sind als Drehfelderkennungssystem bezeichnet worden.

Weiterhin ist eine Summierstelle 14 vorgesehen, in der die Istfrequenz des Motors 3 und die als Sollwert dienende Netzfrequenz miteinander verglichen und eine Frequenzabweichung über eine Schalteinrichtung 15 ein Zündgerät 16 für den Netzstromrichter 6 beaufschlagt. Schließlich sind eine Sicherheitsschaltung 17 und Sychronisierst-halter 18 und 19 für die jeweilige Drehrichtung vorgesehen.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:
Die Frequenz /"des speisenden Netzes wird durch Verstellung der Generatordrehzahl mit dem Primärenergiewandler 1 an die obere Grenze des durch die Leistungsauslegung des Teilumrichters festgelegte Motorfrequenz herangefahren. Dabei wird die Spannung des Generators 2 auf U = konstant = maximale Auslegespannung des Teilumrichters geregelt.

Gleichzeitig wird die Frequenz des Motors 3 der Generatorfrequenz angenähert. Hierfür wird die Generator- bzw. Netzfrequenz ic dem Motor 3 als Sollfrequenz vorgegeben. Die Spannung des Motors 3 wird auf U/f = konstant geregelt.

Die Ventile des Motorstromrichters 5 werden durch Impulse gesteuert, die durch ein Drehfeld-Erkennungssysiem. d. h. den Polradwinkelgeber 4, die Motorspannung über den Trigger 13 oder Hall-Generatoren im Motorluftspalt gewonnen werden. Durch die Triggerschaltung 12 werden von der Netzspannung ebenfalls Impulse abgeleitet. Ihre Phasenlage zur Netzspannung entspricht etwa der Phasenlage: der Wechselrichterimpulse zur Moiorspannung. Beide Impulsfolgen werden in der Impulsweiche 11 auf gleiche Phasenlage und zeitliche Überlappung verglichen. Wenn beide Bedingungen erfüllt sind, so unterdrückt die Impulsweiche 11 die vom Drehfeld-Erkennungssystem gebildeten Impulse und schallet die von der Netzspannung abgeleiteten Impulse /ui" Steuerung des Motors; 3 auf den Motorstromrichter 5. Gleichzeitig wird über das Zündgerät 16 die Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis auf einen festen Wert eingestellt und das Steuersignal *_s„n der Zwischenkreisstromregelung durch Betätigung der Schalteinrichtung 15 abgeschaltet Zur Stabilisierung der Mo-

tordrehzahl wird ein Frequenzdifferenzsignai ///zusätzlich auf den Steuereingang des Zündgerätes 16 gegeben, das aus der Motorfrequenz und der Netzfrequenz gebildet ist Die der Netzfrequenz proportionale Generatorfrequenz kann auch mit Hilfe einer Tachomaschine 20

ίο auf der Generatorwelle gewonnen werden.

Mit diesen vorbereitenden Schaltungsmaßnahmen sind die Voraussetzungen zum Überbrücken des Umrichters durch einen der beiden Synchronisierschalter 18, 19 je nach Drehrichtung erfüllt. Ein Dauerbetrieb mit LaFtschwankungen ist in diesem Zustand ohne nennenswerte Verschiebung der Phasenlage von Netz- und Motorspannung möglich. Ein Befehl zum Schließen eines Synchronisierschalters 18,19 wird gegeben. In einer Sicherheitsschaltung 17 wird durch Summenbildung der drei Netzphasenspannungen erkannt, ob während des Zuschaltens des Synchronisierschalters 18, 19 geringfügige Phasenunterschiede von Motor- und Netzspannung vorgelegen haben. Dies wird über eine Leitung 21 der Impulsweiche 11 gemeldet, die dann die durch Phasenverschiebung entstandenen Fehlzündimpulse unterdrückt.

Um hohe Ausgleichsströme über den Umrichter zu vermeiden, ist die erforderliche Zwischenkreis-Induktivität in zwei gleiche Induktivitäten 7,8 aufgeteilt und in den beiden Gleichstrom-Zwischenkreiszweigen angeordnet worden. Außerdem wird zum gleichen Zweck der Zündwinkel des Netzstromrichters 6 unmittelbar nach dem Schließen des Synchronisierschalters 18, 19 auf einen Wert von λ < 120° gefahren.

Mit der Rückmeldung, daß ein Synchronisierschalter geschlossen ist, unterdrückt die impulsweiche 11 die von der Netzspannung abgeleiteten Impulse und schallet die vom Drehfeld-Erkennungssystem der Motorseite gewonnenen Impulse auf den Motorstromrichter 5. d. h..

dieser Stromrichter wird von fremdgesteuerten auf selbstgesteuerten Betrieb umgeschaltet. Gleichzeitig wird eine Umschaltung der Spannungsregelung des Generators 2 von U = konstant auf U/f = konstant vorgenommen. Mit dem Hochlauf der elektrischen Welle wird die U/f = Konstant-Regelung des Motors 3 auf eine Cos φ = !-Regelung umgeschaltet. Bei Erreichen der Auslegespannung des Umrichters wird dieser durch die Trenner 9,10 stromlos aus dem Kreis geschaltet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Synchronisation eines Stromrichter-Synchronmotors mit einem speisenden Netz über einen Umrichter, bei dem Einrichtungen zur Erfassung der Frequenz- und Phasenlage verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der bis zur Erreichung annähernder Phasengleichheit von Netz- und Motorspannung selbstgesteuerte Synchronmotor (3) durch eine Umschaltung der aus der Netzspannung abgeleiteten Impulre mittels einer Logikverknüpfung (11) auf den Motor-Stromrichter (5) fremdgesteuert wird, wobei gleichzeitig die Spannung im Gleichstrom-Zwischenkreis über den Netzstromrichter (6) auf einen festen Wert eingestellt und der Befehl zum Schließen eines Synchronisierschalters (18/19) gegeben wird, und daß der Motor (3) nach dem Schließen eines der Synchronschalter (18/19) über die Logikverknüpfung (U) auf selbstgesteuerten Betrieb zurückgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung des fremdgesteuerten Betriebs des Stromrichtersynchronmotors (3) zusätzlich ein Differenzsignal (Af) aus der Motor- und Netzfrequenz auf das Steuergerät (16) des Netzstromrichters (6) geschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß geringfügige Phasenabweichungen zwischen Motor- und Netzspannung durch eine Summenbildung (17) der drei Netzphasenspannungen erkannt und die Impulsausgabe durch eine Sicherheitseinrichtung (17) gesperrt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung von Ausgleichsströmen, die im Gleichstrom-Zwischenkreis angeordnete Induktivität (7,8) auf beide Zweige aufgeteilt und der Zündwinkel (λ) des Netzstromrichters (6) nach der Synchronisation auf einen Wert >120° eingestelltwird.