DE4330537A1 - Frequenzumrichter und Verfahren zu seinem Betrieb - Google Patents

Frequenzumrichter und Verfahren zu seinem Betrieb

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung und einem Verfahren nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche 1 und 15. Eine Anordnung dieser Art ist aus der DE-OS 41 28 803 bekannt. Sie besteht aus einem Netzgleichrichter, welcher einen Gleichspannungszwischenkreis versorgt, an den mehrere Wechselrichter angeschlossen sind. Der Netzgleichrichter ist so ausgelegt, daß seine Leistungsfähigkeit der maximalen Summe der gleichzeitig von den Wechselrichtern aufge­ nommenen Leistungen entspricht. Zur Glättung von Spannungsspitzen sind in den Zwischenkreissträngen Drosseln angeordnet. Diese tragen zwar in geringem Maße auch zur Vermeidung einer Überlastung des Gleichrichters bei. Grundsätzlich wird jedoch bei dieser bekannten, insbesondere zur Anwendung in Maschinen konzipierten Anordnung vorausgesetzt, daß die einzelnen Wechselrichter alternierend mit hoher und niedriger Leistung betrieben werden. Ist die zeitliche Verteilung der Leistungsaufnahmen durch die Wechselrichter im voraus nicht bekannt, oder ist der Fall vorzusehen, daß mehrere der Wechselrichter zur selben Zeit mit höchster Leistung betrieben werden, muß ein auf die Summe der maximalen Leistungen des Wechsel­ richter ausgelegter Gleichrichter eingesetzt werden. Wird ein zu klein dimensionierter Gleichrichter eingesetzt, kann dieser zwar kurzzeitigen Überlastungen in der Regel standhalten. Länger an­ dauernde Überlastungen führen dagegen im allgemeinen über vorhandene Schutzvorrichtungen zum Abschalten der gesamten Anlage. Andererseits ist eine Überdimensionierung aus wirtschaftlichen Gründen nicht erwünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter mit mehreren von demselben Zwischenkreis gespeisten Antrieben dahin weiterzubilden, daß das Auftreten langer andauernder Überlastungen sowie kurzzeitiger externer Lastspitzen im Gleichrichter vermieden wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung und ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 15. Eine erfindungsgemäße Anordnung gestattet es durch Überwachung der Auslastung - das heißt das Verhältnis der momentanen zur jeweils maximal möglichen Leistung - der Gleichrichtereinheit zuverlässig deren Überlastung zu vermeiden. Zugleich wird damit das Abschalten der gesamten Anlage wegen Überlastung vermieden. Die Gleichrichter­ einheit kann dadurch stets an ihrer Leistungsgrenze betrieben und somit optimal ausgenutzt werden. Dies wiederum erlaubt eine verhält­ nismäßig kleine und deshalb kostengünstige Realisierung der Gleich­ richtereinheit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Von Vorteil ist es, jeder Wechselrichtereinheit ein der ermittelten Auslastung der Gleichrichtereinheit entsprechendes Signal mitzu­ teilen, damit diese die von ihr aus dem Zwischenkreis aufgenommene beziehungsweise die in diesen zurückgespeiste Leistung auf die mitgeteilte Auslastung der Gleichrichtereinheit abstimmen kann. Im Falle einer Überlastung erfolgt die Abstimmung zweckmäßig, indem jede Wechselrichtereinheit die von ihr aus dem Zwischenkreis aufgenommene beziehungsweise in diesen zurückgespeiste Leistung verringert. Sinnvoll wird die Abstimmung der Wechselrichtereinheiten auf die Gleichrichterleistung durch eine übergeordnete Steuerung koordiniert, der hierzu im Überlastungsfall ein Warnsignal über­ mittelt wird.
Zur Bestimmung der jeweils aktuellen Auslastung der Gleichrichter­ einheit werden vorteilhaft 2- oder 3phasig der Strom, die Tem­ peratur der in der Gleichrichtereinheit vorhandenen Kühlkörper, die Temperatur der Umgebung und die Schaltfrequenz der Leistungshalb­ leiter im Gleichrichter herangezogen. Weiterhin empfiehlt es sich, die Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiter zu berück­ sichtigen, welche vorteilhaft mit Hilfe eines mathematischen Modells ermittelt wird.
Besonders vorteilhaft ist ferner, die Phasenleitungen des Netzan­ schlusses einzeln auf Ausfall zu überwachen. Bei einphasigem Netz­ ausfall, Ausfall eines Leistungshalbleitern oder Ausfall eines von mehreren parallelgeschalteten Gleichrichtern wird die Anlage nicht abgeschaltet, sondern mit verminderter Leistung weiterbetrieben.
Zweckmäßig sind die Mittel zum Bestimmen der Auslastung der Gleich­ richtereinheit direkt in dieser angeordnet. Das die Auslastung be­ zeichnende Signal ist sinnvoll ein Digitalsignal, welches über eine Busleitung den Wechselrichtereinheiten zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, das Auslastungssignal als Pulsdauer zu codieren, wobei die Länge des Pulses der Auslastung entspricht.
Bevorzugt angewendet wird die vorgeschlagene Anordnung zur Ver­ sorgung der Antriebe einer numerisch gesteuerten Maschine.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Zeichnung
Die Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Umrichter.
Beschreibung
Der in der Figur dargestellte Umrichter ist über eine Gleichrichter­ einheit 1 mit einem, im allgemeinen dreiphasigen, Wechselstromnetz 2 verbunden. Die Ausgangsseite der Gleichrichtereinheit 1 speist einen Gleichspannungszwischenkreis 3. Zur Stabilisierung der Zwischen­ kreisspannung können Glättungsmittel 4, in der Figur beispielhaft ein Kondensator, vorgesehen sein. An den Zwischenkreis 3 sind mehrere Wechselrichter 6 angeschlossen, die ausgangsseitig jeweils einen vorzugsweise kollektorlosen Elektromotor 7, insbesondere einen Servoantrieb versorgen. Gleichrichtereinheit 1 und Wechselrichter 6 sind zweckmäßig so ausgeführt, daß der Umrichter auch als Rück­ speiseumrichter betreibbar ist. Hauptbestandteile der Gleichrichter­ einheit 1 wie der Wechselrichter 6 sind Leistungshalbleiter, welche über die Signalleitung 11 im Falle der Gleichrichtereinheit, be­ ziehungsweise über die Signalleitung 10 im Falle der Wechselrichter 6 angesteuert werden. Zur Erzeugung der Ansteuersignale sind der Gleichrichtereinheit 1 eine Steuereinheit 8, den Wechselrichtern 6 jeweils ein Steuermodul 5 zugeordnet. Gleichrichtereinheit 1 und zugehörige Steuereinheit 8 sind häufig als bauliche Einheit in Form eines Versorgungsmoduls VM realisiert, Wechselrichter 6 und Steuermodul 5 bilden eine Wechselrichtereinheit. Zweckmäßig verfügen Steuereinheit 8 und Steuermodule 5 jeweils über eine digitale Signale verarbeitende Einrichtung in Form zum Beispiel eines Mikro­ prozessors oder eines anwenderspezifischen integrierten Schalt­ kreises zur Verarbeitung beziehungsweise Erzeugung der ein- und ausgehenden Signale, die im folgenden als Mikrorechner bezeichnet wird. Die Ansteuerung der Wechselrichtereinheiten erfolgt vorzugs­ weise durch pulsweitenmodulierte Signale. Steuermodule 5 und Steuer­ einheit 8 sind über eine Busleitung 12 miteinander sowie mit einer übergeordneten Steuerung 9, insbesondere einer NC verbunden. Letztere beinhaltet ebenfalls einen eigenen Mikrorechner.
Zur Steuerung des Umrichterbetriebes sind im Bereich des Ver­ sorgungsmodules VM mehrere Sensoren vorgesehen. An wenigstens einem zur Kühlung der Leistungsbauelemente dienenden Kühlkörper 16 in der Gleichrichtereinheit 1 sowie in dem das Versorgungsmodul VM um­ gebenden Raum befinden sich Temperatursensoren 14, 17. Weiterhin sind am Zwischenkreis 3 eine Einrichtung 13 zur Erfassung der Spannung im Zwischenkreis, sowie an den einzelnen Phasen des Wechselstromanschlusses 2 eine Einrichtung 15 zur Überwachung der Phasen auf Ausfall angeordnet.
Die dargestellte Anordnung weist die nachfolgend beschriebene Funktionsweise auf. Das Versorgungsmodul VM bestimmt fortlaufend seine Auslastung und übermittelt ein der festgestellten Auslastung entsprechendes Signal A an die Steuermodule 5 der Wechselrichter 6. Hierfür ermittelt die Steuereinheit 8 zunächst die aktuelle Ist-Leistung des Versorgungsmoduls VM. Sie erfaßt dazu zum einen über Sensoren 15 den in den Netzphasen 2 fließenden Strom. Wird die Zwischenkreisspannung als konstant angesehen, entspricht der von den Sensoren 15 gelieferte Meßwert bereits der augenblicklichen Leistung der Gleichrichtereinheit 1.
Desweiteren ermittelt die Steuereinheit 8 den Wert der zu einem Betriebszeitpunkt maximal möglichen Leistung der Gleichrichterein­ heit 1. Dazu erfaßt sie über einen oder mehrere Sensoren 17 die Temperatur wenigstens eines Kühlkörpers 16, mittels dessen bzw. derer die in der Gleichrichtereinheit 1 angeordneten Leistungshalb­ leiter gekühlt werden, sowie über einen Sensor 14 die Umgebungs­ temperatur. Weiterhin berücksichtigt sie abgespeicherte Leistungs­ halbleiterdaten, insbesondere Kennwerte für die Berechnung der Sperrschichttemperatur. Aufgrund der von den Sensoren 14, 17 er­ haltenen Meßwerte und der gespeicherten Daten der Leistungshalb­ leiter ermittelt die Steuereinheit 8 den Wert der Sperrschichttem­ peratur der Leistungshalbleiter. Diesen vergleicht sie mit einem halbleiterspezifischen, in der Regel herstellerseitig vorgegebenen Maximalwert für die Sperrschichttemperatur. Aus der Differenz beider Werte ergibt sich direkt die zu einem Betriebszeitpunkt maximal erlaubte Leistung. Deren Wert verändert sich während des Betriebes, vor allem infolge der zunehmenden Erwärmung der in der Gleich­ richtereinheit 1 vorhandenen Leistungshalbleiter, welche wiederum eine Folge des durch die Leistungshalbleiter fließenden Stroms beziehungsweise der hohen Schaltfrequenz ist. Die Auslastung der Gleichrichtereinheit 1 ergibt sich nun durch Vergleich des zu einem beliebigen Betriebszeitpunkt für die Gleichrichtereinheit er­ mittelten Ist-Leistungswert mit dem Wert der für die Gleichrichter­ einheit 1 zu diesem Zeitpunkt erlaubten maximalen Leistung.
Den für die Auslastung ermittelten Wert übermittelt die Steuerein­ heit 8 in Form eines digitalen Signales A über den Datenbus 12 an die den Wechselrichtern 6 zugeordneten Steuermodule 5. Diese be­ ziehen den übermittelten Wert in die Erzeugung der Ansteuersignale ein. Zeigt das Auslastungssignal A an, daß die Gleichrichtereinheit 1 überlastet ist, leiten die in den Steuermodulen 5 vorhandenen Mikrorechner Maßnahmen ein, um den Überlastungszustand in einen Normalzustand zurückzuführen. Dies kann zum Beispiel durch Redu­ zierung der von bestimmten Antrieben aus dem Zwischenkreis aufge­ nommenen bzw. an diesen abgegebenen Leistung, durch gleichmäßige Reduzierung der Leistung aller Antriebe oder auch durch gezieltes generatorisches Betreiben eines Antriebs erfolgen. Die Koordination der Maßnahmen zur Rückführung eines Überlastzustandes erfolgt zweck­ mäßig durch die übergeordnete Steuerung 9, welcher das Auslastungs­ signal A ebenfalls mitgeteilt wird. Sinnvoll ist es, bezüglich der Leistungen der Gleichrichtereinheit 1 und/oder der Wechselrichter­ einheiten 5, 6 eine Trenderkennung durchzuführen, mit dem Ziel, Überlastzustände beziehungsweise Lastspitzen bereits während ihrer Entstehung zu erkennen. Sie wird in einfacher Weise durch Be­ obachtung der Änderung der Leistung bezogen auf ein vorgegebenes Zeitintervall, oder anders ausgedrückt durch zeitliche Differentia­ tion der Leistung realisiert. Befindet sich die Gleichrichtereinheit 1 bereits nahe an der maximal möglichen Auslastung, und weist der Leistungsbedarf dennoch steigende Tendenz auf, leiten die Steuer­ module 5, noch bevor ein Überlastzustand tatsächlich eintritt, Maß­ nahmen ein, um die Leistung in der Gleichrichtereinheit 1 nicht weiter zu erhöhen.
Kann eine Rückführung eines Überlastzustandes der Gleichrichterein­ heit 1 nicht innerhalb einer für die Dauer eines solchen Überlastzu­ standes zulässigen Höchstzeit erfolgen, werden die Antriebe 7, vor­ zugsweise kontrolliert durch die übergeordnete Steuerung 9, in einen sicheren Haltezustand gebracht.
Um einen Umrichter möglichst optimal, das heißt nahe an seiner zu­ lässigen Nennleistung betreiben zu können, ist es vorteilhaft, mög­ lichst viele der die aktuelle Leistungsfähigkeit der Gleichrichter­ einheit 1 bestimmenden Parameter zu erfassen. Weitere zweckmäßig erfaßte und bei der Bestimmung der jeweils maximal möglichen Leistungsfähigkeit berücksichtigte Parameter sind zum Beispiel die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter und/oder die Zwischenkreis- Spannung. Weitere zweckmäßige berücksichtigte feste Parameter sind vor allem die thermischen Übergangswiderstände zwischen Leistungs­ halbleitern und Kühlkörpern sowie zwischen Kühlkörpern und Um­ gebungsluft.
Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, zusätzlich die Phasen des Netzanschlusses 2 der Gleichrichtereinheit einzeln auf Ausfall zu überwachen. Zweckmäßig dient hierzu der zur Er­ mittlung der Ist-Leistung ohnehin vorhandene Stromsensor 15. Eben­ sogut kann aber auch ein - dann eigenständiger - Spannungssensor eingesetzt sein. Das vom Sensor 15 abgegebene Signal wertet die Steuereinheit 8 daraufhin aus ob in allen Phasen des Netzanschlusses 2 ein vorgegebener Mindeststrom fließt bzw. eine Mindestspannung anliegt. Da der Ausfall einer Netzphase eine plötzliche Reduzierung der maximal möglichen Leistung der Gleichrichtereinheit um etwa ein Drittel zur Folge hat, und somit in der Regel sofort zu einem Zu­ stand deutlicher Überlastung führt, erzeugt die Steuereinheit 8 im Falle eines festgestellten Ausfalles einer Netzphase zweckmäßig ein gesondertes Signal, zum Beispiel in Form einer besonderen Codierung, welches sie der übergeordneten Steuerung 9 sowie den den Wechsel­ richtereinheiten 6 zugeordneten Steuermodulen 5 mitteilt.
In einer Variante des vorgeschlagenen Umrichters wird der Momentan­ leistungsbedarf der Gleichrichtereinheit 1 nicht aufgrund der Er­ fassung des in den Netzphasen 2 anliegenden Stromes beziehungsweise der anliegenden Spannung bestimmt. Statt dessen übermitteln die Steuermodule 5 der Steuereinheit 8 jeweils einen dem Ausgangsstrom und somit der Leistung des zugeordneten Wechselrichters 6 ent­ sprechenden Signalwert A′. Einfache Addition der übermittelten Signalwerte liefert der Steuereinheit 8 die augenblickliche Ist-Leistung der Gleichrichtereinheit 1. Zweckmäßig erfolgt die Übermittlung der Leistungen der Wechselrichter 6 an die Steuerein­ heit 8 in Form pulsweitenmodulierter beziehungsweise zeitcodierter Signale. Dabei entspricht die Dauer eines Signals der von der sendenden Wechselrichtereinheit aus dem Zwischenkreis 3 aufge­ nommenen Leistung. Die Übermittlung der Leistungssignale von den Wechselrichtereinheiten 6 an das Versorgungsmodul VM erfolgt zweck­ mäßig jeweils zu einem festgelegten Zeitpunkt, zum Beispiel dem Stromreglertakt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuermodule 5 die Leistungs-Signalwerte bereits im voraus aufgrund interner In­ formation sowie durch Vorausberücksichtigung von Betriebssollwerten, welche sie über die Busleitung 12 zum Beispiel von einer NC9 er­ halten, ermitteln und der Steuereinheit 8 mitteilen. Dieser ist dadurch der Leistungsbedarf der Gesamtanlage vor seinem tatsäch­ lichen physikalischen Anfall bekannt. Eine solche voreilende Leistungsbedarfsermittlung kann vorteilhaft für eine Vorsteuerung der Gleichrichtereinheit genutzt werden.

Claims (16)

1. Frequenzumrichter mit einer Netzgleichrichtereinheit zur Speisung eines Gleichspannungszwischenkreises, an den wenigstens eine Wechselrichtereinheit angeschlossen ist, gekennzeichnet durch Mittel, die während des Betriebs zu jeder Zeit die Bestimmung der Auslastung, das heißt des Verhältnisses von augenblicklicher zu im Bestimmungszeitpunkt maximal möglicher Leistung der Gleichrichter­ einheit (1) gestatten.
2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) entsprechendes Signal A für jede Wechselrichtereinheit (5, 6) bereitgestellt wird, welche auf­ grund dieses Signals die von ihr aus dem Zwischenkreis (3) aufge­ nommene oder an diesen abgegebene Leistung auf die Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) abstimmt.
3. Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6) die aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommene oder an diesen abgegebene Leistung verringert, wenn die Auslastung der Gleichrichtereinheit einen Grenzwert übersteigt.
4. Umrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtereinheit (1) das Zeitverhalten der in ihr umgesetzten Leistung überprüft und daß wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6) die aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommene beziehungsweise an diesen abgegebene Leistung verringert, wenn die in der Gleich­ richtereinheit (1) umgesetzte Leistung eine zunehmende Tendenz auf­ weist und die Auslastung oberhalb eines vorgebbaren Schwellwertes liegt.
5. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ein­ richtung (15, 8) zur Überwachung der Netzphasen (2) auf Ausfall vor­ gesehen ist, und daß bei Ausfall einer Netzphase die Wechselrichter­ einheiten (5, 6) die aus dem Zwischenkreis aufgenommene beziehungs­ weise an diesen abgegebene Leistung soweit reduzieren, daß die Gleichrichtereinheit (1) nicht überlastet wird.
6. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) zumindest einen Strom- oder Spannungssensor (15) sowie eine Einrichtung (17) zur Erfassung der Temperatur wenigstens eines in der Gleichrichter­ einheit (1) zur Kühlung der Leistungsbauelemente vorhandenen Kühl­ körpers (16) aufweisen.
7. Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) weiterhin eine Einrichtung zur Erfassung der Umgebungstemperatur (14) und/oder der Schaltfrequenz der Leistungshalbleiter aufweisen.
8. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Bestimmen der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) in dieser angeordnet sind.
9. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gleich­ richtereinheit (1) und Wechselrichter (6) über eine Busleitung (12) miteinander verbunden sind, über welche das Auslastungssignal A übertragen wird.
10. Umrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus­ lastungssignal A ein als Pulsdauersignal codiertes Signal ist, wobei die Länge eines Pulses der von der aussendenden Wechselrichterein­ heit (5) aufgenommenen Leistung aus dem Zwischenkreis (3) entspricht.
11. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wechselrichtereinheit (5, 6) der Gleichrichtereinheit (1) ein Signal A übermittelt, welches der von dem Wechselrichter (6) aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommenen oder an diesem abgegebenen Leistung entspricht.
12. Umrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6) die von ihr aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommene beziehungsweise an diesen abgegebene Leistung aufgrund von Betriebssollwerten im voraus ermittelt.
13. Umrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6) zur Speisung eines Antriebs (7) dient, der Bestandteil einer numerisch gesteuerten Maschine ist.
14. Umrichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichtermodule die Antriebe in sichere Ruhepositionen steuern, wenn eine Überlastung der Gleichrichtereinheit (1) einen vorge­ gebenen Grenzwert überschreitet.
15. Verfahren zum Betrieb eines Frequenzumrichters mit einer Netz­ gleichrichtereinheit zur Speisung eines Gleichspannungszwischen­ kreises, an den wenigstens eine Wechselrichtereinheit angeschlossen ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Bestimmen der Leistung der Gleichrichtereinheit (1) in einem Be­ stimmungszeitpunkt,
  • - Bestimmen der maximal zulässigen Leistung der Gleichrichtereinheit (1) im Bestimmungszeitpunkt,
  • - Bestimmen der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) durch Ver­ gleich des für die Ist-Leistung erhaltenen Wertes mit dem für die maximal zulässige Leistung erhaltenen Wert.
16. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • - Übermitteln eines der Auslastung der Gleichrichtereinheit (1) entsprechenden Signals (A) an wenigstens eine Wechselrichtereinheit (5, 6),
  • - Abstimmen der von der (den) Wechselrichtereinheit(en) (6) aus dem Zwischenkreis (3) aufgenommenen Leistung auf die Auslastung der Gleichrichtereinheit (1).
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