DE3637480A1 - Elektrischer servoantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Servoantrieb nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1. Um robustere Servoantriebe zu erhalten, werden die herkömm­ lichen Gleichstrommaschinen immer häufiger durch bürstenlose Drehfeld­ maschinen ersetzt. Üblich sind hierbei selbstgeführte Wechselrichter mit schnell schaltenden Transistoren, die z.B. impulsbreitenmoduliert ange­ steuert aus einem Gleichspannungszwischenkreis gespeist werden.

Der Leistungsbereich dieser Servoantriebe hängt von der Verlustleistung der verwendeten Leistungshalbleiter ab und wird durch den Leistungsbereich der verfügbaren Leistungshalbleiter eingeschränkt. Im Leistungsbereich von 5 bis 50 kW werden hierbei Wechselrichter mit bipolaren Transistoren verwendet, wobei Taktfrequenzen von 5 kHz bei Sperrspannungen von 1000 bis 1400 V möglich sind. Bei diesen Spannungen können die Transistoren mit Kollektor­ strömen bis zu 400 A belastet werden.

Eine Vergrößerung des Leistungsbereiches nach oben ist durch Parallel­ schaltung von mehreren Transistoren möglich, jedoch ergeben sich hierbei erhebliche Probleme, z.B. bezüglich der Stromaufteilung auf die einzelnen Halbleiter. Auch eine Erhöhung der Spannung des Gleichspannungszwischen­ kreises ist mit Schwierigkeiten und wesentlicher Erhöhung des Aufwandes verbunden, wie z.B. durch die hierbei erforderlichen hohen Isolations­ spannungen, insbesondere zur Ansteuerungselektronik usw. Weiterhin ist es bei größeren Leistungen sinnvoll, die Spannung des Gleichspannungszwischen­ kreises der Netzspannung z.B. 3 × 380 V anzupassen, um hierdurch eine Ver­ sorgung ohne einen zusätzlichen Netztransformator zu ermöglichen.

Bei Thyristorwechselrichtern ist es bekannt (siehe z.B. DE-PS 31 49 017), die Ausgänge zweier, mit eigenen Gleichspannungszwischenkreisen getrennt aufgebauter Wechselrichter zusammenzuschalten, um mit zwei 6-pulsigen Wechselrichtern die Wirkungsweise eines 12-pulsigen Wechselrichters zu er­ zielen. Hierbei ergeben sich große Schwierigkeiten bei der Kommutierung der einzelnen Thyristoren, die sowohl eine Trennung der Gleichspannungszwischen­ kreise untereinander als auch zum Versorgungsnetz (z.B. über zwei getrennte Sekundärwicklungen eines Netztransformators) und ein Abschalten eines Wechselrichters bei hohen Drehzahlen erforderlich machen.

Um die gleiche Aufgabe mit weniger Aufwand auf der Gleichspannungsver­ sorgungsseite zu lösen, ist es weiterhin bekannt (siehe DE-AS 27 45 824), zwei Wechselrichter in Reihe zu schalten und den Strom gleichfalls in Reihe durch zwei getrennte Wicklungen in unterschiedlichen Phasenwicklungen einzu­ speisen. Wollte man diese Schaltung zur Leistungserhöhung verwenden, müßte die Spannung im Gleichspannungszwischenkreis entsprechend erhöht werden, wobei die zuvor genannten Nachteile gemäß der Spannungserhöhung entstehen, die auch die Isolation der getrennten Wicklungen im Motor betrifft.

Aufgabe der Erfindung ist es, ohne zu großen Mehraufwand, mit mehreren Wechselrichtern kleinerer Leistung eine Drehfeldmaschine größerer Leistung zu steuern und hierbei die obengenannten Nachteile zu vermeiden. Diese Auf­ gabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Die Aufteilung der Phasenwicklung in mehrere gegeneinander isolierte Teilleiter, z.B. zur Verringerung der Stromverdrängungsverluste, ist bei Drehfeldmaschinen mit größeren Phasenströmen an sich bekannt (siehe z.B. DE-OS 28 31 888). Eine andere bekannte Art der Aufteilung in Teilleiter er­ folgt z.B. dadurch, daß die Phasenwicklungen jeweils in zwei gegenüber­ liegenden Nutungsbereichen untergebracht sind und bei einer Dreiphasen­ wicklung das jeweils nächste Wicklungspaar für die nächste Phasenwicklung in Nutungsbereichen untergebracht sind, die 60° verdreht hiervon liegen. Bei Drehfeldmaschinen von 10 bis 40 kW und Wechselspannung sind dies häufig nur zwei Teilleiter, bei größeren Phasenströmen oder fertigungs­ bedingt, kann eine Aufteilung in eine größere Zahl Teilleiter sinnvoll sein. Diese Teilleiter sind bei den bekannten Drehfeldmaschinen üblicherweise mit ihren Enden am Wicklungskopf miteinander verbunden, wobei jeweils nur ein Verbindungsleiter zum Klemmbrett der Maschine herausgeführt ist. Diese Teil­ leiter lassen sich erfindungsgemäß ohne großen Mehraufwand einzeln oder durch Zusammenfassen mehrerer Teilleiter in Strängen herausführen, wobei die Anzahl der herausgeführten Stränge denen der parallel zu schaltenden Wechselrichter entspricht.

Der erfindungsgemäße Servoantrieb kann mit einem gesteuerten oder unge­ steuerten Gleichspannungszwischenkreis ausgebildet werden, der alle oder mehrere Wechselrichter speist. Die Ansteuerung der Wechselrichter kann aus einer Ansteuerstufe erfolgen, wobei es sinnvoll ist, die gemeinsamen Ansteuersignale in jedem Teilwechselrichter durch eigene Treiberschaltungen verstärken zu lassen, um Einstreuungen auf die gemeinsamen Ansteuerleitungen zu unterdrücken. Der Erfindungsgegenstand läßt sich auch für alle hoch­ dynamischen Antriebsregelungen wie z.B. mit feldorientierter Regelung unter Einsatz von Mikrorechnern verwenden. Beispiele solcher Anwendungen sind in dem Buch "Mikrocomputergeregelte Asynchronmaschinen" von D. Dietrich und W. Konhäuser, 1986 im Oldenburg Verlag München zusammengefaßt. Weiterhin ist der Erfindungsgegenstand auch bei bürstenlosen Gleichstrommotoren bzw. selbstgesteuerten Synchronmaschinen, die ihr Drehfeld über einen Polradlage­ geber selbst erzeugen (siehe z.B. DE-OS 31 20 559) anwendbar. Der erfindungs­ gemäße Servoantrieb wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Leistungskreise eines erfindungsgemäßen Servoantriebes mit getrennten Gleichspannungszwischenkreisen,

Fig. 2 die Leistungskreise mit gemeinsamem Gleichspannungszwischen­ kreis und

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild mit Ansteuerstufen für die Wechsel­ richter.

In Fig. 1 sind zwei getrennte z.B. direkt aus einem Netz 1 gespeiste Dreh­ stromgleichrichterbrücken 2 und 3 vorgesehen, aus denen je eine Zwischenkreis­ gleichspannung über die Leitungen 4; 5 und 6; 7 je an einen Kondensator 8; 9 sowie je einen Wechselrichter 10; 11 geführt ist. Jeder Wechselrichter erzeugt in bekannter Weise Phasenströme für das Drehfeld einer Drehfeld­ maschine 12. Die Drehfeldmaschine 12 weist drei Phasenwicklungen auf, die jeweils in zwei getrennte, parallele Stränge 13; 14 und 15; 16 sowie 17; 18 aufgeteilt sind. Jeweils ein Strang 13; 15; 17 und 14; 16; 18 jeder Phasen­ wicklung ist zu einem Strangsystem in Sternschaltung zusammengeschaltet, wobei die Sternpunktverbindungen 19; 20 untereinander nicht verbunden sind. Jeder Strang 13 bis 18 kann aus einem oder mehreren Teilleitern einer Phasen­ wicklung bestehen, die in der Wicklung parallel miteinander oder in ver­ schiedenen Nutungsbereichen, gegenseitig isoliert voneinander in bekannter Weise durch die Nuten geführt sind. Zur Steuerung oder Regelung der Drehfeld­ maschine können gesteuerte oder ungesteuerte Gleichrichterbrücken 2; 3 verwendet werden und die Steuerung der Wechselrichter 10; 11 getrennt oder mit den gleichen Ansteuersignalen aus einer Ansteuerstufe erfolgen.

In Fig. 2 werden die beiden Wechselrichter 21 und 22 von einer einzigen Drehstromgleichrichterbrücke 23 gespeist. Die beiden Wechselrichter 21 und 22 liefern die Phasenströme für die in gleicher Weise wie in Fig. 1 geschaltete Drehfeldmaschine 24. Jede Phasenwicklung besteht hier aus jeweils vier Teilleitern 25 bis 28, wobei die Teilleiter 25 und 26 sowie die Teilleiter 27 und 28 zu einem Strang zusammengefaßt, d.h. mit ihren Enden verbunden sind.

Wird durch die Ansteuerung und den Aufbau der Wechselrichter 21 und 22 sichergestellt, daß an den Sternpunkten 29, 30 stets eine ausreichend gleiche Nullpunktspannung anliegt, können die Sternpunktenden aller Teil­ wicklungen auch untereinander verbunden sein, d.h. alle an einem Sternpunkt z.B. 29 liegen.

In Fig. 3 ist ein Steuerungsprinzip für die Drehfeldmaschine 31 näher dar­ gestellt, wobei wie in Fig. 2 dargestellt die aus Treiberstufen 32; 33 und Leistungsstufen 34; 35 bestehenden Wechselrichter aus einem gemeinsamen Gleichrichter gespeist werden. Die in den Wechselrichtern 32; 34 und 33; 35 erzeugten Phasenströme sind über getrennte Leitungen 36 und 37 den einzel­ nen Strangsystemen (nicht dargestellt) der Drehfeldmaschine 31 zugeführt. Die Steuerung der Drehfeldmaschine erfolgt - in an sich bekannter Weise - über eine Steuerlogik 38, die von außen über eine Leitung 39 einen Sollwert erhält und der z.B. über einen Tachogenerator, Drehzahlgeber, Drehimpuls­ geber oder Polradlagegeber 40 Drehwertsignale 41 zugeführt sind. Der Steuer­ logik können auch Stromwertsignale 42; 43 z.B. aus Meßwandlern 44; 45 zuge­ führt sein. Aus diesen Werten erzeugt die Steuerlogik 38 Ansteuersignale 46; 47 für die Treiberstufen 32; 33, wobei es dem Fachmann überlassen bleibt aus der Vielzahl bekannter Steuerungsarten die günstigste auszuwählen. Die Ansteuersignale 46; 47, die in gemeinsamen Stufen erzeugt sein können, können z.B. noch einem oder zwei weiteren Wechselrichtern (nicht dargestellt) zugeführt werden, die in gleicher Weise einem oder zwei weiteren Strang­ systemen der Drehfeldmaschine 31 Phasenströme zuführen, wenn die einzelnen Phasenwicklungen aus drei oder mehr Teilleitern bestehen, bzw. in drei oder vier gleich starke Stränge aufgeteilt sind.

Handelt es sich bei der Drehfeldmaschine um eine Asynchronmaschine, die entsprechend einer feldorientierten Regelung z.B. über eine Impulsbreiten­ modulation hoher Frequenz angesteuert wird, so genügt es, in zwei der drei Phasenwicklungen in einem Strangsystem Strommeßwandler vorzusehen und die gemessenen Werte entsprechend der Zahl der Strangsysteme zu vervielfachen. Es kann jedoch von Vorteil sein, die Ströme der zwei Phasenwicklungen in allen Strangsystemen zu erfassen und in einer Stufe 48 den entsprechenden Mittelwert zu bilden.

Bei der Mittelwertbildung können weiterhin größere Abweichungen in den Strömen der einzelnen Strangsysteme erfaßt werden, die bei einem Fehler entstehen können oder zur Überlastung eines der Wechselrichter führen könnten. Hierbei kann in der Stufe 48 ein Fehlersignal erzeugt werden, das dann z.B. über eine Leitung 49 der Steuerlogik 38 zugeführt wird, die dann weitere Ansteuersignale für die Treiberstufen 32; 33 sperrt.

Häufig werden bei Servoantrieben größerer Leistung zusätzliche Sicherheits­ einrichtungen gefordert, die im Fehlerfall ein sofortiges Abschalten des Antriebes bewirken sollen. Hierzu kann in Weiterbildung der Erfindung eine Redundanzüberwachung z.B. in der Stufe 48 vorgesehen werden, die bei einer vorgegebenen Abweichung der Strom- und/oder Spannungswerte zwischen den einzelnen Strängen ein Abschalten oder falls erforderlich ein Abbremsen des Antriebes bewirkt. Der Redundanzschaltung können hierzu auch über die Leitungen 50; 51 alle erforderlichen Spannungen der einzelnen Strangsysteme zugeführt sein, die bei einem Fehler unterschiedliche Werte annehmen. Die Redundanz kann weiterhin dadurch erweitert werden, wenn für jedes Strang­ system (gemäß Fig. 1) völlig getrennte Leistungsstufen und erforderlichen­ falls auch eine zusätzliche weitere Steuerlogik (38) verwendet wird.

Der Mehraufwand für die Drehfeldmaschine läßt sich verhältnismäßig klein halten, wenn hierfür handelsübliche Maschinen mit mehreren Teilleitern je Phasenwicklung verwendet werden. Die einzelnen Teilleiter können bei der Maschinenfertigung einzeln oder zu Strängen zusammengefaßt auf weitere oder ein vergrößertes Klemmbrett im Anschlußkasten oder weiteren Anschlußkästen herausgeführt werden. Vorteilhaft kann es auch sein, die Sternpunktenden in bekannter Weise derart auf getrennte Anschlüsse zu legen, daß mit Hilfe von Anschlußbrücken eine Schaltung im Stern oder Dreieck für unterschiedliche Phasenspannungen möglich ist. Da während des Betriebes die Spannungsunter­ schiede zwischen den einzelnen Teilleitern sehr klein gehalten werden können, reicht im allgemeinen die bei diesen Motoren vorgesehene Isolation zwischen den Teilleitern aus. Durch eine Überwachung der Spannungs- oder Stromunter­ schiede, wie oben ausgeführt, kann vermieden werden, daß sich ein Kurzschluß zwischen den Teilleitern ergibt oder gefahrbringend auswirken kann.

Claims (12)

1. Elektrischer Servoantrieb mit mehrphasiger Drehfeldmaschine größerer Leistung, die über Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Phasenwicklungen der Drehfeldmaschine (12; 24) aus mehr als einem, gegeneinander isolierten Teilleiter (13 bis 18; 25 bis 28) be­ stehen, die mit einem weitgehend gleich großen Fluß verkettet sind,
• - die Teilleiter in einzelnen Strängen (13 bis 18) zumindest mit einem Ende isoliert voneinander aus der Drehfeldmaschine (12; 24) herausge­ führt sind,
• - die einzelnen Stränge (13 bis 18) zu mehr als einem Strangsystem ent­ sprechend der Phasenwicklungen zusammengeschaltet sind und
• - den einzelnen Strangsystemen aus getrennten, parallel betriebenen Wechselrichtern (10; 11; 21; 22) gleichartige Phasenströme zugeführt sind.

2. Servoantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel betriebene, selbstgeführte Wechselrichter (10; 11; 21; 22) verwendet werden, die mit gleichen Ansteuerungssignalen gesteuert werden.

3. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (34; 32 und 33; 35) über einen ungesteuerten oder mit gleichen Signalen gesteuerten Gleichspannungszwischenkreis direkt aus dem Netz gespeist werden.

4. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (34; 35) getrennt voneinander aufgebaut sind und jeder Wechselrichter eigene Treiberschaltungen (32; 33) aufweist.

5. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Treiberschaltungen (32; 33) der Wechselrichter impulsbreiten­ modulierte Ansteuersignale (46; 47) zugeführt werden, die in den - in Stränge aufgeteilten - Phasenwicklungen Phasenströme gleicher Amplitude und Phasenlage erzeugen.

6. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehfeldmaschine (24) ein handelsüblicher Kurzschlußläufer mit drei Phasenwicklungen ist, die aus gegeneinander isolierten Teil­ leitern (25 bis 28) bestehen und die Teilleiter zwei gleich starke in gleicher Weise zusammengeschaltete, voneinander galvanisch getrennte Strangsysteme bilden, die jeweils mit den Ausgängen eines Wechsel­ richters (21; 22) verbunden sind.

7. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gegeneinander isolierten Teilleiter (25 bis 28) in einzelnen Strängen mit beiden Enden auf getrennte Anschlüsse eines Maschinen­ anschlußkastens geführt sind.

8. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuersignale (46; 47) für die Wechselrichter nach dem Algorithmus der feldorientierten Regelung durch einen übergeordneten Mikrorechner erstellt werden.

9. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Phasenströme zur Erstellung und/oder Beeinflussung der Ansteuersignale für die Wechselrichter, jeweils nur in einem Strang der Phasenwicklungen erfolgt.

10. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Phasenströme zur Erstellung und/oder Beein­ flussung der Ansteuersignale für die Wechselrichter in mehr als einem Strang der Phasenwicklungen erfolgt und aus den erfaßten Werten Strom­ mittelwerte für die Phasenströme gebildet werden.

11. Servoantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Strängen einer Phasenwicklung erfaßten Ströme einer Vergleichsein­ richtung (48) zugeführt sind, die ein Fehlersignal (49) liefert, wenn die Stromabweichung eines Stranges von dem Strom eines anderen Stranges der gleichen Phasenwicklung einen vorgegebenen Wert überschreitet.

12. Servoantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen an den einzelnen Strängen der Phasenwicklungen einer Redundanzüberwachungsschaltung zugeführt sind, die ein Fehler­ signal liefert, wenn die Werte zwischen den Strängen einer Phasen­ wicklung eine festlegbare Abweichgrenze überschreiten.