DE4422275C2 - Verfahren zum Betrieb von Drehstrommotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung drehzahlvariabler Hochleistungsantriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Verfahren finden beispielsweise bei elektrischen Triebfahrzeugen Verwendung, wobei bekannte Schaltungen z. B. entsprechend der Veröffentlichung in Elektrische Bahnen 5/92, S. 173, Fig. 6 oben, Anwendung finden. Dort werden die Drehstrommotore über Pulswechselrichter aus einem Gleichspannungszwischen­ kreis konstanter Spannung betrieben, der aus einem 15 kV oder 25 kV Wechsel­ spannungs-Einphasennetz unter Zwischenschaltung eines Transformators von Vier­ quadrantenstellern gespeist wird.

Bei dieser Betriebsweise stören Pendelmomente und Oberschwingungsverluste in den Fahrmotoren als mechanische Belastung im Pulsbereich. Außerdem ist die Sperrspannungsbeanspruchung der Leistungshalbleiter aller Stromrichter erheb­ lich.

Durch die DE 37 01 208 C2 ist ein Verfahren zur Steuerung eines über einen Pulswechselrichter gespeisten drehzahlvariablen Mehrphasen-Elektromotors be­ kannt, bei dem während der Startphase die Eingangs-Gleichspannung des Puls­ wechselrichters (Zwischenkreisgleichspannung) niedrig gehalten wird, bis die Betriebsfrequenz (Drehzahl) einen vorgegebenen Wert erreicht. Bei Überschrei­ tung des Wertes wird dann die Gleichspannung mit der Betriebsfrequenz erhöht.

Mit diesem Verfahren sollen akustische Störgeräusche, hervorgerufen durch Drehmomentwelligkeit, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen vermieden werden. Allerdings ist das Verfahren nach der DE 37 01 208 C2 auf völlig anders konzi­ pierte Nähmaschinenantriebe anzuwenden. Es ist deshalb generell nicht mit Hochleistungs-Antrieben, wie sie insbesondere in der Bahntechnik Verwendung finden, vergleichbar. Derartige Antriebe liegen an Bahnnetzen mit stark schwankender Spannung, was bei Nähmaschinenantrieben im allgemeinen nicht als üblich vorausgesetzt werden kann. Auch ist der beim bekannten Verfahren ver­ wendete Motor im allgemeinen nicht speziell für konstante Leistungsaufnahme oberhalb einer definierten Drehzahl ausgelegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art derart auszugestalten, daß Störgrößen wie Pendelmomente oder Oberschwingungs­ verluste, insbesondere im Pulsbetriebsbereich, minimiert werden, d. h. eine Reduktion der elektrischen und mechanischen Beanspruchung der Fahrmotoren sowie der Spannungsbelastung der Traktionsumrichter erreicht wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteran­ sprüchen entnehmbar.

Mit einer erfindungsgemäß abgesenkten Zwischenkreisspannung lassen sich die eingangs erwähnten störenden Pendelmomente und Oberschwingungsverluste der Fahrmotoren mindern. Im Extremfall können sogar die Motorvordrosseln der Fahrmotoren entfallen, was Gewichts-, Bauraum- und Kostenersparnis bedeutet. Außerdem können die Spannungsbeanspruchungen der Leistungshalbleiter aller Stromrichter merkbar reduziert und dadurch die Ausfallraten der Leistungshalbleiter gesenkt werden. Die Zuverlässigkeit der Baugruppen wird damit vergrößert.

Die Erfindung wird im nachstehenden näher erläutert, wobei auf die Figur der Zeichnung verwiesen wird.

Die Figur zeigt eine an sich bekannte Schaltung mit zwei Drehstromfahrmotoren 1, die über zugeordnete parallel geschaltete Pulswechselrichter 2 betrieben werden, die an einen Gleichspannungszwischenkreis 3 geschaltet sind. Der Gleichspannungszwischenkreis 3 mit Zwischenlweiskondensator 3a wird von drei Gleichstromstellern gespeist, die für Brems-Rückspeisebetrieb als Vierquadrantensteller 4 ausgebildet sind.

Die Vierquadrantensteller 4 werden über einen Haupttransformator 5 aus einem einphasigen 15 kV Wechselspannungsbahnnetz 6 mit Energie versorgt. Mit 7 ist noch ein Hauptschalter und mit 8 eine Filterdrossel bezeichnet. 9 zeigt weitere Filterelemente und mit 10 ist eine einzelne Zwischenkreisvorladung mit Trennschalter dargestellt.

Bislang und gegenwärtig werden die Antriebsmotore 1 noch von den Pulswechselrichtern 2 über eine konstante Zwischenkreisspannung U_ZWK betrieben. Die Motorspannungen steigen dabei bei einem relativ konstanten Fluß von der Drehzahl 0 bis zum Typenpunkt des Motors linear mit der Drehzahl an. Das Dreiphasensystem der Leiterspannungen des Motors wird im Pulsbetrieb des Pulswechselrichters realisiert.

Im Typenpunkt ist die maximale Leiter-Leiter-Spannung erreicht und der Puls­ wechselrichter arbeitet im Blockbetrieb. Bei Drehzahlen über den Typenpunkt hinaus bleibt die Motorspannung im Blockbetrieb bei einem sinkenden Fluß konstant.

In der Bahntechnik wird oberhalb bestimmter Geschwindigkeiten von den elek­ trischen Triebfahrzeugen eine konstante Leistungsaufnahme gefordert. Daher müssen die Motoren in dem entsprechenden Drehzahlbereich ein umgekehrt zur Drehzahl n_mot proportionales Drehmoment aufbringen (M-n Diagramm).

(M_mot = Motordrehmoment)
(P_mot = Motorleistung)

Eine wesentliche Größe bei der Auslegung der Motoren ist dabei das Kippmoment.

Das von den Fahrmotoren aufzubringende Kippmoment M_kipp steht im Zusammen­ hang mit der Zwischenkreisspannung nach der Formel

wobei U_mot ≈ 0,78 _* U_Zwk
(U_mot = Motorspannung)
(L_{δ mot} = Streuinduktivität)
(n_mot = Motordrehzahl)
(k_r = Motorkonstante).

Da in dem betrachteten Drehzahlbereich die Motorspannung konstant ist (Block­ betrieb) verhält sich das Kippmoment umgekehrt proportional zum Quadrat der Drehzahl.

Die Fahrmotoren sind so ausgelegt, daß sie bei maximaler Drehzahl gerade das Kippmoment aufbringen. Hin zu kleineren Drehzahlen ist das Kippmoment bei konstanter Zwischenkreisspannung größer als gefordert. Diese Reserve ermög­ licht es, aus der Sicht der Motoren die Zwischenkreisspannung bei Drehzahlen unterhalb der maximalen Drehzahl abzusenken.

Nach der Erfindung wird nun über die Vierquadrantensteller 4 die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 3 variabel abhängig von der Motordrehzahl n_mot, d. h. der Fahrzeuggeschwindigkeit und abhängig vom tatsächlich geforderten Motordrehmoment M_mot eingestellt.

Bestimmte Bauarten von Vierquadrantenstellern benötigen eine Zwischenkreis­ spannung, die überschritten, nicht aber unterschritten werden darf. Die je­ weils notwendige Zwischenkreisspannung wird im wesentlichen durch folgende Größen bestimmt: Bahnnetzspannung, Netzstrom, Transformator-Übersetzungsver­ hältnis, Transformatorstreuung, ohmscher Widerstand des Transformators, Min­ destzeiten für die Nullpausen in den Ausgangsspannungen des Vierquadranten­ stellers sowie dessen Regelreserve.

Aus der Ausgangsspannung U_S des Transformators und Faktoren k - die die Null­ pausen in der Ausgangsspannung des Vierquadrantenstellers sowie die Regel­ reserve berücksichtigen - läßt sich die Zwischenkreisspannung U_ZWK nach der Formel

bestimmen.

Die Höhe der Ausgangsspannung U_S und der Faktor k sind dabei arbeitspunktab­ hängig. Der Vierquadrantensteller stellt demnach arbeitspunktabhängig eine bestimmte Höhe der Zwischenkreisspannung ein.

Dabei ergibt sich die maximal erforderliche Zwischenkreisspannung aus der Anforderung an das Motordrehmoment bei maximaler Drehzahl.

Aus den Transformator- und Netzgrößen läßt sich die notwendige Ausgangsspannung U_S berechnen. Sie ist im Fahr- und Bremsbetrieb unterschiedlich.

Die berechnete, mindestens erforderliche Zwischenkreisspannung kann als Nennzwischenkreisspannung bezeichnet werden. Ein Absenken der tatsächlichen Zwischenkreisspannung unter den Wert der Nennzwischenkreisspannung muß vermieden werden, da sonst die Grundschwingung der Stellerausgangsspannung nicht mit der erforderlichen Amplitude gebildet werden kann, was zusätzliche Verzerrungen im Netzstrom zur Folge hat.

Bei einem Absenken der tatsächlichen Zwischenkreisspannung vergrößern sich einerseits die durchlaß- und stromabhängigen Ausschaltverluste, während sich andererseits die spannungsabhängigen Einschaltverluste verringern. Die Schaltverluste in den Halbleitern steigen dabei insgesamt zwar leicht an, die überwiegenden Verluste in den Beschaltungsmitteln sinken dagegen erheblich, so daß die Gesamtverlustleistung in Halbleitern und Beschaltungsmitteln bei kleiner werdender Zwischenkreisspannung ebenfalls sinkt.

Aus der gewählten Transformatorübersetzung resultiert die minimal mögliche Zwischenkreisspannung. Die tatsächliche Zwischenkreisspannung kann jedoch durchaus über diesen Werten liegen, da der Vierquadrantensteller seine Ausgangsspannung über die Aussteuerung kleiner stellen kann. Das maximale Übersetzungsverhältnis und damit die minimale Zwischenkreisspannung ist dabei unter Berücksichtigung der mit dem Übersetzungsverhältnis steigenden Ströme in den Sekundärwicklungen und damit im Vierquadrantensteller festzulegen. Als ausgeführtes Beispiel seien hier eine minimale Zwischenkreisspannung für Bremsen von U_ZWK = 2800 V und Fahren von U_ZWK = 2400 V genannt. Sie kann aus der Sicht des Transformator/Vierquadrantenstellers im Bereich von 2400 V bis 2800 V beliebig eingestellt werden.

Die Motoren werden dann hinsichtlich des Drehmomentes bei maximaler Drehzahl für U_ZWK = 2800 V ausgelegt, da sie bei dieser Auslegung gegenüber kleineren Spannungen eine geringere Masse besitzen. Die maximale Motorspannung wird nur bei maximaler Drehzahl benötigt. Für den Betriebsfall Fahren wird z. B. vorgeschlagen, im unteren Drehzahlbereich (z. B. n = 0 bis 1500 min-1) mit der minimal notwendigen Zwischenkreisspannung U_ZWK = 2400 V zu arbeiten. Der Übergang auf U_ZWK = 2800 V für maximale Geschwindigkeit erfolgt dann linear proportional zur Geschwindigkeit beginnend vom Typenpunkt (hier n = 1500 min-1) bei der minimalen Zwischenkreisspannung.

Der Bremsbetrieb bei maximalen Leistung erfordert generell eine Zwischenkreisspannung von 2800 V.

Legt man die Häufigkeiten diskreter Geschwindigkeiten zugrunde, die auch für die Dimensionierung der Motorlager gelten, und geht man von den bei Halbleitern bekannten hohen Ausfallraten unter Gleichspannungsbeanspruchung aus, lassen sich mit einer reduzierbaren Zwischenkreisspannung - gegenüber einer festen Zwischenkreisspannung von konstant 2800 V - die Ausfallraten der Leistungshalbleiter auf ca. 1/3 senken. Die Pendelmomente der Fahrmotoren sind zwar im Bereich niedrigerer Drehzahlen an sich am größten, in diesem Drehzahlbereich ist jedoch die Zwischenkreisspannung jetzt abgesenkt, was zu einer Reduzierung der z. B. für die Motoren kritischen 35 Hz-Pendelmomente auf 73% führt. Dies entspricht dem Einsatz einer Motorvordrossel von L_v ≈ 0,6 mH in allen Strängen aller Fahrmotoren. Die Oberschwingungsverluste z. B. bei der Ständerfrequenz f1 = 35 Hz werden von 67 kW auf 45 kW reduziert.

Über das vorgestellte Verfahren hinaus kann entsprechend der Erfindung die Zwischenkreisspannung bei Netzspannungen U_N < U_Nmax und P < P_max weiter verringert werden. Die Spannungsbeanspruchung der Halbleiter und die Beanspruchung der Motoren mit Pendelmomenten läßt sich dadurch noch weiter reduzieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur für Wechselspannungssysteme mit Vierquadrantenstellern realisierbar, sondern auch für Gleichspannungssysteme mit Choppersteuerung.

Claims (3)

1. Verfahren zur Steuerung drehzahlvariabler Hochleistungs-Antriebe, die an Netzen mit stark schwankender Spannung mit unterschiedlichen - von Leerlauf bis Vollast - reichenden Lastanforderungen betrieben werden sollen, bei denen das Kippmoment stets größer als das aufzu­ bringende Drehmoment sein muß und Drehstrommotoren Verwendung finden, die für konstante Leistungsaufnahme oberhalb einer definierten Dreh­ zahl ausgelegt sind und über Pulswechselrichter aus einem Gleich­ spannungszwischenkreis gespeist werden, der über Netzstromrichter (Gleichstromsteller bzw. Vierquadrantensteller) mit einem Versorgungs­ netz verbunden ist, insbesondere zur Anwendung bei elektrischen Trieb­ fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß über die Netzstromrichter die bislang konstante, für das gefor­ derte Kippmoment bei maximaler Drehzahl ausgelegte Zwischenkreisgleich­ spannung (U_ZWK) im Drehzahlbereich unterhalb des Typenpunkts abge­ senkt wird, wobei die Zwischenkreisspannung nicht unter eine durch den Netzstromrichter bestimmte Minimalspannung abgesenkt wird, und im Drehzahlbereich oberhalb des Typenpunkts, ausgehend von der abgesenkten Zwischenkreisspannung, ein drehzahlabhängiger Übergang zur maximalen Zwischenkreisspannung bei maximaler Drehzahl erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einspeisung aus einem Wechselspannungs-Einphasennetz (6) über einen Transformator (5) und Vierquadrantensteller (4), die mögliche Zwischenkreisspannung (U_ZWK) bis zum Minimalwert mit dem Vierquadrantensteller (4) eingestellt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reguläre Zwischenkreisspannung (U_ZWK) bei Netzspannungen unter­ halb der Maximalspannung und bei Motorleistungen unterhalb der Maximal­ leistung weiter verringert wird.