DE4211183A1 - Umrichter mit Zwischenkreismonitor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine solche ist bekannt aus der DE-OS 31 13 909. Die darin beschriebene Anordnung weist gemäß Fig. 1 einen Netzgleich­ richter 14, einen Zwischenkreis konstanter Gleichspannung, sowie mehrere von diesem gespeiste Wechselrichter 13 auf. Zur Stabili­ sierung der Zwischenkreisgleichspannung ist ein Kondensator vorge­ sehen. Der Netzgleichrichter ist vorzugsweise ungesteuert. Die Steuerung der Wechselrichter erfolgt durch eine gemeinsame Ansteuer­ logik 20, alle von den Wechselrichtern versorgten Motoren laufen mit der gleichen Drehzahl. Jeder Wechselrichter speist eine Anzahl nur ihm zugeordneter Einzelantriebsmotoren. Aus der Schrift ist auch der Vorschlag bekannt, mehrere Wechselrichter mit jeweils eigener An­ steuerlogik auszurüsten. Die Schrift weist ferner darauf hin, daß bei Stromausfall aufgrund des unterschiedlichen Auslaufverhaltens einzelner Antriebe über den Zwischenkreis Energie so verschoben wird, daß dennoch alle Antriebe etwa zum selben Zeitpunkt zum Still­ stand kommen.

Maßnahmen zur aktiven Regelung der Zwischenkreisgleichspannung und/oder zur Verbesserung des Verhaltens der einzelnen Antriebe gehen aus der Schrift nicht hervor. Werden aber vom selben Zwischen­ kreis versorgte Wechselrichter voneinander unabhängig betrieben (wie zum Beispiel bei Servoantrieben), so wirken die jeweils augenblick­ lichen Betriebszustände der einzelnen Antriebe auf den Zwischenkreis zurück und führen dort zu Spannungsschwankungen. Diese wiederum beeinflussen das Betriebsverhalten der Antriebe nachteilig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Umrichteranordnung mit mehreren vom selben Zwischenkreis gespeisten Wechselrichtern anzugeben, welche eine Optimierung des Betriebsverhaltens der Antriebe und des Gleichrichters gestattet.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs. Eine erfindungsgemaße Umrichteranordnung weist eine Anordnung zur Stabilisierung des Gesamtbetriebsverhaltens auf, die es erlaubt, die Zwischenkreisgleichspannung zu stabilisieren und gleichzeitig den Betrieb der einzelnen Antriebe an die jeweils aktuelle Zwischenkreisgleichspannung anzupassen. Durch fortlaufende Kenntnis des Leistungsbedarfs der einzelnen Antriebe ist gleich­ richterseitig eine exakte Regelung der Zwischenkreisgleichspannung möglich. Gleichzeitig ist jedem Antrieb fortlaufend die aktuelle Zwischenkreisgleichspannung bekannt. Dies gestattet eine Ver­ besserung des Betriebsverhaltens der einzelnen Antriebe. Die er­ findungsgemäße Umrichteranordnung ist in ihrem Aufbau einfach, sie enthält im wesentlichen eine zusätzliche Signalleitung. Die auf­ wendige Messung der Zwischenkreisgleichspannung ist nur einmal er­ forderlich, gleichzeitig kann durch die verbesserte Spannungs­ regelung die Glättungskapazität im Zwischenkreis kleiner dimen­ sioniert werden, wodurch ein Kostenvorteil entsteht.

Bereits die Berücksichtigung nur derjenigen Antriebe, deren Leistungsänderungen pro Zeiteinheit große Werte haben, liefert gute Ergebnisse.

Die Steuerung der einzelnen Antriebe erfolgt zweckmäßig so, daß die benötigte, beziehungsweise abgegebene Leistung jederzeit an die momentane Energieabgabe- beziehungsweise Aufnahmekapazität des Zwischenkreises angepaßt ist.

Die Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung und Beschreibung genauer erläutert.

Die Figur zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.

Das in der Figur dargestellte Blockschaltbild einer Umrichteran­ ordnung läßt sich funktional in zwei Hauptteile gliedern: einen Leistungskreis, mit den mit 10 bis 13 bezeichneten Elementen, und einen Steuerungskreis 40 mit den mit 14 bis 30 bezeichneten Elementen.

Der Aufbau des Leistungskreises ist an sich bekannt. Die Ausgangs­ seite eines Gleichrichters 11, an dessen Eingangsseite in der Regel dreiphasiger Netzwechselstrom anliegt, bildet einen Gleichspannungs­ zwischenkreis 10. Dieser versorgt mehrere Wechselrichter 12 mit Gleichspannung. Jeder Wechselrichter 12 wiederum speist im allge­ meinen einen, seltener mehrere zugeordnete Antriebe 13. Wesentliche Bauteile der Wechselrichter 12 sind jeweils sechs nicht dargestellte Leistungstransistoren, von denen jeweils zwei eine Phase des an­ triebsseitigen Ausgangsstroms generieren. Ihre Ansteuerung erfolgt nach dem Verfahren der Pulsbreitenmodulation von einer jeweils zu­ geordneten Steuereinheit 14. Umrichteranordnungen der vorstehend beschriebenen Art finden sich beispielsweise in mehrachsigen, numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen.

Zweiter Hauptteil der erfindungsgemäßen Umrichteranordnung ist der Steuerungskreis 40. Ihm werden hier die Wechselrichtersteuereinheit 14, die Netzgleichrichtereinheit 15, sowie eine Gleichspannungs­ quelle 21 mit einer zugehörigen Meßvorrichtung 23 am Zwischenkreis zugeordnet, desweiteren eine zwischen den Wechselrichtersteuerein­ heiten 14, der Gleichrichtersteuereinheit 15 und einer hier nicht dargestellten Hauptsteuerung angeordnete Leitungsanordnung 30, sowie vor allem eine parallel zum Leistungskreis, unabhängig vom Potential des Zwischenkreises, angeordnete Signalleitung 20. Letztere ist für die vorliegende Erfindung von wesentlicher Bedeutung. Sie verbindet seriell eine Gleichspannungsquelle 21 mit wenigstens einer Wechsel­ richtersteuereinheit 14, sowie mit der Gleichrichtersteuereinheit 15. Die einzelnen Bestandteile des Steuerungskreises werden nach­ folgend näher erläutert.

Haupt-Bestandteile der an die Signalleitung 20 angeschlossenen Wechselrichtersteuereinheiten 14 sind ein Steuermodul 16, eine steuerbare Stromquelle 22, sowie eine Spannungsmeßvorrichtung 24. Stromquelle 22 und die Spannungsmeßvorrichtung 24 binden die Wechselrichtersteuereinheit 14 physikalisch an die Singalleitung 20 an. Es ist allerdings nicht zwingend notwendig, daß alle vorhandenen Wechselrichter 12 an die Signalleitung 20 angeschlossen sind. In den gegebenenfalls nicht an die Signalleitung 20 angeschlossenen Wechselrichtersteuereinheiten 14 können die Stromquelle 22 und/oder die Spannungsmeßvorrichtung 24 fehlen. Alle Bestandteile der Wechselrichtersteuereinheiten 14 sind, entsprechend dem in der Figur dargestellten Schema, durch geeignete Signalleitungen miteinander verbunden.

Aufgabe des Steuermoduls 16 ist die Verarbeitung der eingehenden Signale sowie die Ansteuerung der Leistungstransistoren der Wechsel­ richter 12 und der Stromquellen 22. Über die aus einer oder mehreren Daten- oder Signalleitungen bestehenden Leitungsanordnung 30 kommu­ niziert das Steuermodul 16 mit den anderen Wechselrichtereinheiten 14, sowie mit der Gleichrichtereinheit 15. Ferner erfolgt über die Leitungsanordnung 30 der Datenaustausch mit einer in der Figur nicht dargestellten zentralen Steuereinheit, etwa der Hauptsteuerung einer numerisch gesteuerten Maschine, von der die einzelnen Wechsel­ richtersteuereinheiten 14 die Betriebssollwerte, wie zum Beispiel Leistungssollwert, Beschleunigungssollwert, Verzögerungssollwert, erhalten. Die Stromquelle 22 und die Spannungsmeßvorrichtung 24 binden die Wechselrichtersteuereinheit 14 an die Signalleitung 20 an.

Die Netzgleichrichtersteuereinheit 15 setzt sich im wesentlichen aus einer Meßvorrichtung 24 zur Erfassung des in der Signalleitung 20 fließenden Stromes, sowie einem Steuermodul 17 zusammen. Aufgabe des Steuermoduls 17 sind die Ausgabe der Steuersignale an die Leistungs­ halbleiter des Netzgleichrichters 11 sowie die Regelung der Zwischenkreisspannung. Es verarbeitet hierzu die von der Meßvor­ richtung 25 über eine entsprechende Verbindung zugeführten Signale. Über die Datenleitung 30 ist die Gleichrichtersteuereinheit 15 mit den Wechselrichtersteuereinheiten 14 und der Hauptsteuerung ver­ bunden.

Die Spannungsquelle 21 ist mit einem am Zwischenkreis 10 ange­ ordneten Spannungsmesser 23 über eine geeignete Leitung verbunden. Diese Verbindung weist ebenso wie die Verbindung zwischen Netz­ gleichrichtersteuereinheit 15 und Netzgleichrichter 11 und wie die Verbindungen zwischen Wechselrichtersteuereinheiten 16 und Wechsel­ richtern 12 eine hier nicht näher dargestellte Vorrichtung zur Trennung der Potentiale von Signalleitung 20 und Zwischenkreis 10 auf. Die Signalleitung 20 ist zweckmäßig auf eine Masseleitung, die gleichzeitig auch als Masse für andere Signale dienen kann, bezogen. Die physikalische Realisierung der in der Figur dargestellten An­ ordnung erfolgt zweckmäßig in Form von Modulen, die in einem gemein­ samen Rahmen, von den Antrieben 13 räumlich getrennt, untergebracht sind. In einem ersten Modultyp sind die in jeder Umrichteranordnung nur einmal vorhandenen Bestandteile Netzgleichrichter 11, Gleich­ richtersteuereinheit 15, Spannungsquelle 21 sowie Spannungsmesser 23 zusammengefaßt. In einem weiteren, im allgemeinen mehrfach vor­ handenen Modultyp, der jeweils einem Antrieb 13 zugeordnet ist, sind jeweils ein Wechselrichter 12 und die zugehörige Wechselrichter­ steuereinheit 14 angeordnet.

Die Funktionsweise der vorhergehend beschriebenen Anordnung ist wie folgt.

Der Spannungsmesser 23 erfaßt die aktuell im Zwischenkreis 10 an­ liegende Spannung und übermittelt den Meßwert potentialfrei an die Spannungsquelle 21. Diese prägt der Signalleitung 20 eine Gleich­ spannung U_M ein, die ein Maß für die gemessene Zwischenkreis­ spannung ist. Die Spannung U_M der Signalleitung 20 wird dabei fortlaufend auf einen der Zwischenkreisspannung entsprechenden Wert geregelt. Die Spannungsquelle 21 besitzt zu diesem Zweck eine hier nicht gezeigte Spannungsstell- oder regelanordnung. Derartige Spannungsquellen sind an sich bekannt, z. B. aus "Halbleiter­ schaltungstechnik", Tietze, Schenk, 7. Auflage, Abschnitt 13.2. Zweckmäßig bewegen sich die in die Signalleitung 20 eingeprägten Spannungen in einem Niedervoltbereich von vorzugsweise 0 bis 10 Volt, in der Art, daß zum Beispiel einer im Zwischenkreis 10 ge­ messenen Spannung von 600 Volt in der Signalleitung 20 eine Spannung von 6 Volt entspricht.

In die von der Spannungsquelle 21 mit Gleichspannung beaufschlagte Signalleitung 20 prägen gleichzeitig, von der Spannungsquelle 21 unabhängig, die Wechselrichtersteuereinheiten 14 mittels der in ihnen vorhandenen Stromquellen 22 jeweils einen der momentanen Solleistung des zugeordneten Antriebs 13 entsprechenden Strom I_A1, I_A2, . . ., I_AN ein.

Verwendet werden können übliche Stromquellen, Beispiele dazu finden sich zum Beispiel in "Halbleiterschaltungstechnik", Tietze, Schenk, 7. Auflage, Abschnitt 4.6.2.

Jede Steuereinheit 14 besitzt eine Anordnung zur Messung der an der Signalleitung 20 anliegenden Spannung U_M. Der mittels der Meßvor­ richtung 24 gemessene Spannungswert U_M, er entspricht der momen­ tanen Zwischenkreisspannung, wird dem Steuermodul 16 zugeführt. Dieses bezieht den gemessenen Wert in die Bestimmung der Pulsdauern für die Leistungshalbleiter in den Wechselrichtern 12 ein.

Aufgrund der Information über die Zwischenkreisspannung läßt sich das Betriebsverhalten der einzelnen Antriebe 13 in mehrfacher Hin­ sicht verbessern. So kann das Steuermodul 17 sicherstellen, daß die dem zugehörigen Antrieb 13 eingeprägte Spannung dem geforderten Sollwert entspricht. Beispielsweise verlängert das Steuermodul 16 die Pulsdauer, wenn es anhand der von der Meßanordnung 24 gemessenen Signale feststellt, daß die im Zwischenkreis tatsächlich anliegende Spannung unter dem für die Zwischenkreisspannung vorgegebenen Sollwert liegt. Ohne eine solche Korrektur würde, obwohl die Puls­ dauer bezogen auf den vorgegebenen Zwischenkreis-Sollwert richtig wäre, eine zu geringe Spannung am Antrieb anliegen. Die Kenntnis der Zwischenkreisspannung aus der Signalleitungsspannung ermöglicht es dem Steuermodul 17 ferner, Beschleunigungsvorgänge stets angepaßt an die aktuelle Energieabgabe/-aufnahmekapazität des Zwischenkreises durchzuführen. Bei Netzausfall bietet sich die Möglichkeit, durch gezielte Verzögerung eines "großen" Antriebs, der dabei als Generator benützt wird, die Spannung im Zwischenkreis so lange auf­ rechtzuerhalten, bis andere am gleichen Zwischenkreis angeschlossene Antriebe in eine Sicherheitsstellung gefahren werden.

Da jede Wechselrichtersteuereinheit 14 der Signalleitung 20 einen der vom jeweils zugehörigen Antrieb 13 aufgenommenen, beziehungs­ weise abgegebenen Leistung entsprechenden Strom I_A1 bis I_AN einprägt, fließt in der Signalleitung 20 insgesamt ein Strom

welcher der von allen Antrieben benötigten beziehungs­ weise erzeugten Gesamtleistung entspricht. Die im Signalleitungsge­ samtstrom enthaltende Information wird zur Regelung der Spannung im Zwischenkreis 10 verwendet. Hierfür besitzt die Gleichrichtersteuer­ einheit 15 eine Strommeßvorrichtung 25, mittels derer sie den aktuellen Wert des in der Signalleitung 20 fließenden Gesamtstromes I_g erfaßt. Der Meßwert, der ja der gesamt aufgenommenen/abgege­ benen Leistung entspricht, wird dem Steuermodul 17 zugeführt und dort in die Berechnung der Steuerimpulse für den Gleichrichter 11 einbezogen. Er eignet sich besonders für eine Regelung nach dem Prinzip der Vorsteuerung. Bei diesem Regelverfahren reagiert die Gleichsteuereinheit 15 unmittelbar auf jede Veränderung der von den Antrieben aufgenommenen beziehungsweise abgegebenen Leistung.

Die vorgeschlagene Anordnung gestattet schon dann eine brauchbare Konstantregelung der Zwischenkreisspannung, wenn nur diejenigen Antriebe 13 mittels Stromquelle 22 einen der aktuellen Leistung entsprechenden Strom in die Signalleitung 20 einprägen, deren Leistungsänderungen pro Zeiteinheit groß sind gegenüber den anderen Antrieben. Umgekehrt müssen diejenigen Antriebe, deren zeitbezogene Leistungsänderungen vergleichsweise gering sind, nicht unbedingt an die Signalleitung angeschlossen werden.

Für weniger hohe Anforderungen an das Gesamtbetriebsverhalten der Umrichteranordnung kann es auch genügen, auf die Übertragung der Zwischenkreisgleichspannung über die Signalleitung 20 an die An­ triebe zu verzichten und nur die Regelung der Zwischenkreisgleich­ spannung aufgrund des von den Antrieben in die Signalleitung 20 eingeprägten Stromes zu verbessern. Der Signalleitung wird in diesem Fall einfach eine fest vorgegebene Gleichspannung eingeprägt. Spannungsmeßvorrichtungen 24 und Wechselrichtersteuereinheiten 14 sind dann verzichtbar.

Die vorgeschlagene Umrichteranordnung beruht auf dem Prinzip, daß alle Wechselrichter 12 der Signalleitung einen der momentan aufge­ nommenen/abgegebenen Leistung entsprechenden Strom einprägen, den die Netzgleichrichtersteuerung 15 mißt, und daß der Netzgleich­ richter 11 über den Spannungsmesser 23 und die Spannungsquelle 21 dem Signalkreis 20 eine Spannung einprägt, den wiederum die Wechsel­ richtersteuereinheiten 14 messen. Unter Beibehaltung dieses Prinzips sind Ausgestaltungen der beschriebenen Umrichteranordnung möglich. So können etwa die Leistungstransistoren in den Wechselrichtern 12 durch andere, gleichwirkende Bauelemente ersetzt werden, oder es kann eine andere als die vorgeschlagene bauliche Aufteilung der funktionalen Baugruppen vorgenommen werden.

Claims (9)

1. Umrichteranordnung mit einem Netzgleichrichter mit einer zuge­ hörigen Steuereinheit, dessen Gleichspannungsausgang einen Zwischen­ kreis mit im wesentlichen konstanter Gleichspannung speist, und mit mehreren, jeweils einen oder mehrere Motoren versorgenden Wechsel­ richtern mit jeweils zugehörigen Steuereinheiten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuereinheit (15) des Netzgleichrichters (11) und den Steuereinheiten (14) der Wechselrichter (12) eine Signalleitung (20) zur Übertragung von Signalen zur Regelung der Zwischenkreis­ gleichspannung zugeordnet ist, welche einen Strom (I_g) führt, der den von den Motoren benötigten oder erzeugten Einzelleistungen ent­ spricht.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Wechselrichtersteuereinheit (14) eine in der Signalleitung (20) angeordnete Stromquelle (22) aufweist, welche der Signalleitung (20) einen Strom (I_A1, I_A2, . . ., I_AN) einprägt, der der momentan von dem (den) zugehörigen Antrieb(-en) (13) benötigten oder abge­ gebenen Leistung entspricht.

3. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gleichrichtersteuereinheit (15) ein Steuer­ modul (17) sowie eine in der Signalleitung (20) angeordnete Strom­ meßvorrichtung (25) aufweist, welche den in der Signalleitung (20) fließenden Gesamtstrom (I_g) erfaßt und dem Steuermodul (17) über­ mittelt.

4. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Signalleitung (20) eine Spannungsquelle (21) zugeordnet ist, welche der Signalleitung (20) eine der augenblick­ lichen Zwischenkreisspannung entsprechende Spannung (U_M) einprägt.

5. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens eine Wechselrichtersteuereinheit (14) ein Steuermodul (16) zur Erzeugung der Wechselrichteransteuersignale sowie eine Spannungsmeßvorrichtung (24) aufweist, welche den Wert der augenblicklichen Spannung (U_M) in der Signalleitung (20) er­ faßt und an das Steuermodul (16) übermittelt.

6. Umrichter nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bezugspotential der Signalleitung (20) auf Masse liegt.

7. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Gleichspannungszwischenkreis (10) ein Spannungsmesser (23) zugeordnet ist, welcher die Zwischenkreis­ spannung mißt und den Meßwert potentialgetrennt an die Spannungs­ quelle (21) der Signalleitung (20) übermittelt.

8. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Regelung der Zwischenkreisgleichspannung durch Vorsteuerung erfolgt.

9. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nur Antriebe (13) mit großen Leistungsänderungen pro Zeiteinheit einen der aktuell aufgenommenen/abgegebenen Leistung entsprechenden Strom (I_A1, I_A2, . . ., I_AN) in die Signalleitung (20) einprägen.