DE69031590T2

DE69031590T2 - Stromversorgungssystem

Info

Publication number: DE69031590T2
Application number: DE69031590T
Authority: DE
Inventors: Gregory Eckersley
Original assignee: Boral Johns Perry Industries Pty Ltd
Current assignee: Boral Johns Perry Industries Pty Ltd
Priority date: 1989-02-06
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2010-02-07
Also published as: JPH04506744A; DE69031590D1; EP0664598A3; DK0456728T3; ATE159386T1; EP0456728A1; AU5095290A; WO1990009050A1; AU619660B2; EP0456728B1; US5191520A; EP0664598A2; ES2110964T3; EP0456728A4

Description

Feld der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Stromversorgungssystem, das in Verbindung mit einer Mehrzahl von elektrischen Belastungen und insbesondere aber nicht exklusiv für die Steuerung von Aufzugmaschinen verwendet wird.

Beschreibung des Standes der Technik

Die Darstellung des Standes der Technik und die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden mit Bezug auf die Anwendung in Aufzügen vorgenommen. Dabei ist zu beachten, daß die Erfindung ebensogut in anderen Anwendungen mit elektrischen Belastungen anwendbar ist.
In modernen Aufzugeinrichtungen wird gewöhnlich eine Gleichstrommaschine als Antriebsmaschine für den Fahrstuhl und das entsprechende Gegengewicht verwendet. Diese Maschine ist mit den Seilen, an denen der Fahrstuhl und das Gegengewicht hängen, über ein Getriebe oder über eine direkte Verbindung mit der Seuscheibe verbunden. Da der Fahrstuhl sich sowohl nach oben wie nach unten bewegen muß, muß die Gleichstrommaschine in ihrer Richtung steuerbar sein und eine präzise Steuerung der Geschwindigkeit bieten.
Pulsbreitenmodulierte (PWM) Umrichter werden häufig in Verbindung mit einer Gleichstrommaschine entweder für eine Zweiquadrant- oder für eine Vierquadrantsteuerung der Maschine verwendet. Eine Vierquadrantsteuerung gestattet die Rückführung von Energie in das Versorgungsnetz während der Verlangsamung des Fahrstuhls. PWM-Umrichter arbeiten gewöhnlich mit einer mehrphasigen Wechselstromversorgung, deren Ausgabe dann gleichgerichtet und für die entsprechende Ausgangsspannung und Polarität gesteuert wird, um die gewünschte Geschwindigkeit und Rotationsrichtung in der Gleichstrommaschine zu erhalten.
Ebenfalls bekannt ist die Verwendung von Wechselstrommaschinen in Aufzugeinrichtungen, die ebenfalls in ihrer Geschwindigkeit steuerbar sein müssen. Dafür werden zumeist Wechselstrom-Wechselstrom-Umrichter verwendet, wobei die mehrphasige Versorgung für eine Gleichstromsammelschiene gleichgerichtet und dann wechselgerichtet wird, um die erforderliche Ausgangsspannungsfrequenz zu erhalten, die wiederum die Wechselstrommaschine veranlaßt, mit der gewünschten Geschwindigkeit und der erforderlichen Drehkraft zu arbeiten. Wahlweise können Zyklo-Umrichter eine Direktfrequenzumrichtung vornehmen, die die Niederfrequenzausgabe aus der Netzstromversorgung synthetisiert.
Es ist besonders wünschenswert, daß die Kosten für den Antrieb des Aufzugs gering sind, der Aufzug eine geringe akustische Lärmausstrahlung und Hochfrequenzinterferenz aufweist und unter allen Versorgungsbedingungen wenigstens teilweise betrieben werden kann. Die genannten bekannten Systeme haben den Nachteil, daß sie besonders kostspielig und komplex sind.
Wenn bei einer Gleichstrommaschine in der Maschine selbst ein Fehler auftritt, kann außerdem eine Lichtbogenbildung zwischen den zwei Motorbürsten auftreten. Es ist besonders schwer, diese Lichtbögen zu beseitigen, da keine Nullspannungskreuzungen vorhanden sind, die bei Wechselstrommaschinen eine natürliche Kommutierung zu erlauben.
Unterbrecher sind nicht kostengünstig, um einen Gleichstromantrieb vor lokalisierten Fehlern wie Ausgangskurzschlüssen zu beschützen, und können häufig einen beträchtlichen Schaden sowohl am Motor wie auch am Umrichter verursachen.
Während Gleichstrommaschinen die oben erläuterten Probleme aufweisen, werden sie häufig gegenüber Wechselstrommaschinen vorgezogen, da sie eine bessere Regulation der Geschwindigkeit und der Drehkrafteigenschaften bieten.
Bei Wechselstrommaschinen sind Maschinen mit einem konstanten Feld (synchrone Maschinen) gegenüber den billigeren (nicht-synchronen) Induktionsmotoren vorzuziehen. Sie können eine ihnen eigene Bremsmöglichkeit bei Stromverlust bieten, wobei eine Statorbelastung vorgesehen ist. Insbesondere wenn permanente Magnetfelder verwendet werden, ist der Luftspalt groß genug, um eine annehmbar leichte Bauweise zu erlauben, wobei durch die lateralen Rotorbelastungen ein Abgang gegeben ist. Außerdem wird eine größere Effizienz bei niedriger Geschwindigkeit oder bei Stillstand geboten.
Ein System des Standes der Technik ist in GB-A-2071438 angegeben. Die Beschreibung dieser Patentanmeldung zeigt ein Stromversorgungssystem, das die aus der Versorgung gezogene Leistungsabgabe auf ein vorbestimmtes Maximum beschränkt. Das System enthält eine Stromversorgung, die für die Erzeugung einer Ausgangsleistung ausgebildet ist. Die Beschreibung gibt auch eine Mehrzahl von Belastungen an, die jeweils Leistung von der Stromversorgung fordern können. Weiterhin sind eine Mehrzahl von Steuerungen für die Belastungen angegeben, die jeweils zwischen dem Ausgang der Versorgung und der Belastung angeordnet sind und gesteuert werden können, um die Belastung mit dem Ausgang der Versorgung zu verbinden oder von ihm zu trennen. Es ist eine Versorgungssteuerung vorgesehen, die mit den Belastungssteuerungen kommunizieren kann und Leistungsanforderungen von jeder der Belastungssteuerungen empfängt, die die Leistungsanforderung der jeweiligen Belastungen angibt. Die Versorgungssteuerung autorisiert keine Anforderung für den Leistungsbedarf einer bestimmten Belastung, wenn daraus ein Gesamtleistungsbedarf aller Belastungen resultiert, der die durch die Stromversorgung lieferbare Leistung übersteigt. Diese Veröffentlichung gibt nicht an, ob die Leistungsanforderung einer bestimmten Belastung größer ist als ein vorbestimmtes Limit für diese Belastung und ob in diesem Fall keine Autorisation dieser Anforderung oder eine Trennung der Belastung erfolgt.
Dementsprechend enthält die in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 definierte vorliegende Erfindung ein Merkmal, das bestimmt, ob eine Leistungsanforderung einer Belastung größer ist als ein vorbestimmtes Limit für diese Belastung, wobei in diesem Fall keine Autorisation dieser Anforderung erfolgt. Das bietet bei bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung viele Vorteile, da bei einer Leistungsanforderung, die größer als ein vorbestimmtes Limit ist, angenommen wird, daß bei dieser Belastung ein Fehler aufgetreten ist. Durch die nicht erfolgende Autorisation der Anforderung ist sichergestellt, daß eine eventuell auftretende Bogenbildung behoben wird. Das System gestattet deshalb eine bessere Kontrolle in derartigen Situationen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Um die vorliegende Erfindung verständlicher zu machen, wird im folgenden eine bevorzugte Ausführungsform mit Bezug auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Beispiele beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine typische Gesamtkonfiguration der Ausführungsform;
Fig. 2 den Gleichrichteriwechselrichter von Fig. 1 im größeren Detail; und
Fig. 3 eine der Belastungen in Fig. 1 im größeren Detail.

Ausführliche Beschreibung der bevorzuaten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt ein System 10 mit mehreren Belastungen, das in einem Gebäude mit einer Anzahl von Aufzügen als elektrischen Belastungen installiert werden kann. Einige der Aufzüge können in einem Motorraum installiert sein, während andere in einem separaten Motorraum in einer anderen Ebene des Gebäuden lokalisiert sein können. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Ausführungsform ist, daß die Leistung des verteilten Aufzugsystems eine einzige zentrale Versorgung und Steuerung aufweist.
Die drei phasige Wechselstromversorgung 12, die das gesamte System 10 mit Energie versorgt, ist als Eingabe zu dem Wechselstrom-Gleichstrom-Umrichter 14 angegeben. Der Umrichter 14 richtet die Netzversorgung 12 gleich, um eine Gleichstromspannung herzustellen, die den Antriebspunkt für die Gleichstromsammeischiene 16 bildet, die wie gezeigt positive und negative Schienen enthält.
Der Umrichter 14 ist für die Leistungserzeugung für alle mit dem System 10 verbundenen Belastungen verantwortlich. Der Gleichstromausgang des Umrichters 14 ist mit den Anschlüssen 18 und 20 einschließlich der relativen Polarität gezeigt. Die Anschlüsse 18 und 20 werden dann mit der Gleichstromsammelschiene 16 über die Steuerschaltvorrichtung der Hauptsteuerung 22 verbunden. Die Schaltvorrichtung enthält einen Steuerschaltschütz 24 in jeder der Stromleitungen zusammen mit den Sicherungselementen 26 und den Stromsensoreinrichtungen 28. Sowohl die Steuerschütze 24 wie die Stromsensoreinrichtungen 28 werden von dem Hauptsteuerungsprozessor 30 gesteuert.
Der Hauptsteuerungsprozessor 30 gibt und empfängt Datensignale über die Leitung 34 zu und von dem Datenbus 32 und sendet und empfängt Datensignale über die Leitung 36 von und zu dem Umrichter 14.
Die gemeinsame Funktion der Datensignale des Datenbusses 32 und der anderen Elemente im System 10 wird im folgenden erklärt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform enthält das System 10 weiterhin zwei Belastungen 38 und 40, die Aufzugsantriebe sind, und eine zweite Versorgungssammeischiene 42 mit der entsprechenden Datenverknüpfung 44, die mit anderen Lokationen in dem Gebäude vernetzt sind. Die zweite Versorgungssammelschiene 42 kann mit einer Anzahl von anderen Belastungen in einer entfernten Lokation oder in entfernten Lokationen im Gebäude verbunden sein.
Die Verwendung einer einzigen Wechselstromversorgungssammelschiene 16 mit konstanter Spannung für eine gegebene Gruppe von Belastungen 38 und 40, weist zusammen mit der zweiten Versorgungssammelschiene 42 den Vorteil auf, daß die Gesamtanzahl der Gleichrichterverknüpfungen reduziert ist, während der Belastungsausgleich während der Regeneration einer der Belastungen auch die Menge der zu der Wechselstromversorgung 12 zurückgeleiteten Energie reduziert.
Der Energieverlust des Gesamtsystems, der aus der lneffizienz der Umrichter in den Belastungen resultiert, wird ebenfalls reduziert.
Durch Vorsehen einer einzigen Gleichstromsammelschiene 16 und einer zweiten Versorgungssammelschiene 42, um alle Belastungen im gesamten Gebäude mit Strom zu versorgen, wird gegenüber einem dreiphasigen Netzsystem, das dieselbe Leitung-zu-Leitung-Spitzenspannung aufweist, eine wesentliche Reduktion des für die Sammelschienen benötigten Materials erreicht.
Die zweite Versorgungssammelschiene 42 ist mit der Gleichstromsammelschiene 16 über eine ähnliche Steuerung wie der für den Umrichter 14 verbunden, die als Nebensteuerung 46 vorgesehen ist. Ebenso verläuft die Verbindung zu der Datenverknüpfung 44 über die Nebensteuerung 46, die wiederum über die Leitung 45 mit dem Datenbus 32 verbunden ist.
Das System weist zwei Belastungen 38 und 40 auf, die jeweils Strom aus der Gleichstromsammelschiene 16 ziehen, mit der sie jeweils über eine Nebensteuerung 46 verbunden sind.
Elemente der drei Nebensteuerungen 46, die denen der Hauptsteuerung 22 gleich sind, werden mit identischen Bezugszeichen angegeben. Im Kontrast dazu sind die Nebensteuerprozessoren 48 einzeln identifiziert, da sie gegenüber dem Hauptsteuerprozessor 30 eine etwas andere Funktion erfüllen.
Die Belastung 38 kommuniziert Daten mit dem Nebensteuerungsprozessor 48 über die Leitung 50, wobei der Prozessor 48 wiederum Daten mit dem Datenbus 32 über die Leitung 52 kommuniziert. Dasselbe gilt für die Belastung 40 mit den entsprechenden Leitungen 54 und 56.
Fig. 2 zeigt den Wechselstrom-Gleichstrom-Umrichter 14 der Fig. 1 im größeren Detail. Elemente, die Elementen in Fig. 1 entsprechen, werden mit gleichen Bezugszeichen angegeben.
Die dreiphasige Gleichstromversorgung 12 wird von einem phasenteilenden Transformator (nicht gezeigt) geliefert und dann durch den Umrichter 14 gleichgerichtet, um die Gleichstromversorgung für die Gleichstromsammelschiene 16 zu erzeugen. Die Verbindung mit der Gleichstromsammelschiene erfolgt über die Anschlüsse 18 und 20.
Die Versorgung 12 wird zuerst zu einem Eingangsfilterbereich 58 geleitet, der Induktions-, Widerstands- und Kondensatorelemente der Gleichstromversorgung 12 selbst enthält. Sobald die Gleichstromversorgung 12 gefiltert ist, wird sie an den Gleichrichterbereich 60 ausgegeben. Der Gleichrichterbereich 60 enthält duale Sechspuls-Gleichrichter. Das duale System gestattet dem Gleichrichterbereich 60 nach einem Versagen einer der Brücken auf einer reduzierten Leistungsbasis weiter zu arbeiten.
Die Ausgabe aus jeder der halben Brücken bildet eine Schiene des Gleichstromausgangs. Die Ausgabe jeder halben Brücke wird durch miteinander verbundene Induktoren 62 geglättet. Ein Schutzbereich 64 bietet einen Schutz für den Gleichstromausgang.
Fig. 2 zeigt auch den Hauptsteuerungsprozessor 30 zusammen mit seinen Verbindungen zu dem Umrichter 14 über die Leitung 36 und zu dem Datenbus 32 über die Leitung 34. Der Hauptsteuerungsprozessor 30 empfängt Signale aus den Stromsensoreinrichtungen im Schutzbereich 64 und aus dem Sensorbereich 66 für den Eingangsstrom und die Eingangsspannung. Alle diese Signale werden für die Steuerung und die Schutzlogik verwendet, die für den Umrichter 14 wie auch das Gesamtsystem 10 geeignet sind.
In Fig. 3 ist eine beispielhafte Belastung im System 10 gezeigt, die entweder die Belastung 38 oder die Belastung 40 sein kann.
Wieder sind Elemente, die Elementen in Fig. 1 und 2 entsprechen, mit identischen Bezugszeichen angegeben.
Die Belastung 38 zum Beispiel enthält einen Wechselstrommotor 68, einen dazugehörigen Bremsmechanismus 70, eine Feldsteuerung 71 und den Antriebswechselrichter 72.
Der Nebensteuerungsprozessor 46 ist zwischen der Gleichstromsammelschiene 16 und dem Antriebswechselrichter 72 angeordnet gezeigt.
Die Schaltschütze 24, Sicherungselemente 26 und Stromsensoreinrichtungen 28 sind dem Beispiel von Fig. 1 entsprechend in der Nebensteuerung 46 gezeigt.
Der Antriebswechselrichter 72 enthält eine Sechspuls-Bipolarflächenransistor(BJT)-Brücke, die durch das digitalsignalverarbeitende (DSP) Steuerelement 74 gesteuert wird. Das DSP-Steuerelement 74 gibt die nötigen Antriebssignale an die Basen der BJT's 76 und an die Ausgangsschaltschützen 78 aus.
Das DSP-Steuerelement 74 erhält über die Leitung 50 Befehle aus dem Nebensteuerungsprozessor 48, wobei der Nebensteuerungsprozessor 48 wiederum durch den Hauptsteuerungsprozessor 30 über den Datenbus 32 und die Leitung 52 gesteuert wird.
Der Nebensteuerungsprozessor 48 kontrolliert den Zustand des Motors 68, der Bremse 70, der Feldsteuerung 71, des Antriebswechslers 72 und gibt Steuerbefehle an das DSP-Steuerelement 74 aus, um den Aufzug mit dem Motor 68 als Hauptantrieb für den Fahrstuhl und das Gegengewicht zu betreiben.
Im folgenden wird die Beziehung zwischen dem Hauptsteuerungsprozessor 30 und jedem der Nebensteuerungsprozessoren 48 ausführlicher betrachtet.
Bei normalem Betrieb muß jeder der Nebensteuerungsprozessoren 48 kontinuierlich für jede Leistungsanforderung eine Autorisation von dem Hauptsteuerungsprozessor 40 anfordern. Diese Anforderung muß gewährt werden, bevor dem DSP-Steuerelement 74 erlaubt wird, den Leistungsbedarf des Motors zu erfüllen. Eine Leistungsanforderung wird dabei gewöhnlich mit Bezug auf den elektrischen Strom gestellt.
Die Interaktion zwischen dem Hauptsteuerungsprozessor 30 und dem Nebensteuerungsprozessor 48 kann am besten als eine Prozedur von Anforderung und Gewährung beschrieben werden.
Eine besondere dabei vorgesehene Funktion ist die Feststellung von Fehlern an einer der Belastungen, die mit der Gleichstromsammelschiene 16 verbunden sind. Jeder potentielle Fehler wird dem Hauptsteuerungsprozessor 30 über eine gewöhnliche Leistungsanforderung mitgeteilt. Wenn die Leistungsanforderung einen Energiebedarf anfordert, der einen vorbestimmten Wert überschreitet, nimmt der Hauptsteuerungsprozessor 30 an, daß ein Fehler aufgetreten ist, und veranlaßt über die Aktivierung des Schaltschützen 24 in der Nebensteuerung 46, daß die Belastung von der Gleichstromsammelschiene 16 getrennt wird oder, vom Typ des festgestellten Fehlers abhängig, mit dem normalen Betrieb fortfährt. Weiter kann die Gleichstromsammelschiene 16 über die Aktivierung der Schaltschützen 24 in der Hauptsteuerung 22 aufgefordert werden, die Leistung herunterzufahren. Außerdem besteht die Möglichkeit einer Rückführung in die dreiphasige Wechselstromversorgung 12.
Wenn ein permanenter Fehler auftritt, dann wird die Gleichstromsammelschiene 16 über die Schaltschützen 24 in der Hauptsteuerung 22 gezwungen, die Leistung so schnell wie möglich herunterzufahren. Die Leistung an der Gleichstromsammelschiene 16 kann dann nach einer Deionisationsperiode, die für die Behebung von Lichtbögen in den Schaltungen oder Sicherungen in einer der Nebensteuerungen ausreicht, wieder hochgefahren gefahren werden.
Wenn die Versorgung begrenzt ist und eine bestimmte Belastung einen großen Strom fordert, wobei kein Fehlzustand angezeigt wird, aber die Gesamtsumme der Leistungsanforderungen für alle Belastungen ein durch die beschränkte Versorgung vorbestimmtes Limit überschreitet, dann gibt der Hauptsteuerungsprozessor 30 dem Nebensteuerungsprozessor 48 keine Autorisation dafür, den angeforderten Strom zu ziehen. Die entsprechende Belastung muß warten bis der Umrichter 14 die Leistung zu einem späteren Zeitpunkt bereitstellen kann. Das hat zur Folge, daß ein Fahrstuhl gezwungen sein kann, in einem Stockwert zu warten, bis die Anforderung gewährt werden kann.
Bei der Implemantation der Konfiguration des Datenbusses 32 in Beziehung zu den Haupt- und Nebensteuerungen kann ein geeignetes bekanntes System gewählt werden. Zum Beispiel könnten die im IEEE-Standard 802.4 enthaltenen Angaben verwendet werden.
In der vorstehenden Beschreibung werden ein Hauptsteuerungsprozessor 30 und eine Anzahl von Nebensteuerungsprozessoren 48 erläutert. Eine derartige Konfiguration muß jedoch nicht notwendigerweise verwendet werden. Es ist ebensogut möglich, stattdessen ein Token-Ring-Netz zu verwenden, wobei der Steuerungsprozessor, der zu einem bestimmten Zeitpunkt das Token hält, effektiv der Master ist und die Belastungsanforderungen autorisiert.

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines Stromversorgungssystems (10) mit einem Wechselstrom-Gleichstrom-Umrichter (14), der mit einer Eingangsstromversorgung (12) verbunden ist und eine Ausgangsstromversorgung (16) ausgibt, einer Mehrzahl von Belastungen (38, 40, 42), die mit der Ausgangsstromversorgung (16) jeweils über Belastungssteuerungen (46) verbunden sind, und einer Versorgungssteuerung (22), die mit den Belastungssteuerungen (46) kommuniziert; um die Ausgangsstromversorgung (16) zu steuern, wobei das Verfahren beinhaltet, daß durch die Versorgungssteuerung (22) bestimmt wird, ob eine Anforderung einer Belastungssteuerung für eine Versorgung der entsprechenden Belastung mit Strom zur Folge hat, daß der Gesamtleistungsbedarf aller Belastungen (38, 40, 42) ein Maximum überschreitet, und die Versorgungssteuerung (22) in diesem Fall diese Anforderung nicht autorisiert und die entsprechende Belastung ausschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Versorgungssteuerung (22) bestimmt, ob eine Anforderung einer Belastungssteuerung (46), die entsprechenden Belastung (38, 40, 42) mit Strom aus der Stromversorgung (16) zu versorgen, größer ist als ein vorbestimmtes Limit für diese Belastung (38, 49, 42), wobei in diesem Fall die Anforderung nicht autorisiert wird,

(b) und andernfalls die Anforderung autorisiert wird.

2. Stromversorgungssystem (10) mit einem Wechselstrom-Gleichstrom-Umrichter (14), der mit einer Eingangsstromversorgung (12) verbunden ist und eine Ausgangsstromversorgung (16) ausgibt, einer Mehrzahl von Belastungen (38, 40, 42), die mit der Ausgangsstromversorgung (16) durch jeweilige Belastungssteuerungen (46) verbunden sind, und einer Versorgungssteuerung (22), die mit den Belastungssteuerungen (46) kommuniziert, um die Ausgangsstromversorgung (16) zu steuern, wobei die Versorgungssteuerung (22) angeordnet ist, um auf eine Anforderung durch eine entsprechende Belastung (38, 40, 42) für eine Leistung aus der Stromversorgung (16) zu reagieren, um so zu bestimmen, ob der Gesamtleistungsbedarf aller Belastungen (38, 40, 42) ein Maximum überschreitet, und in diesem Fall die Anforderung nicht zu autorisieren und die Belastung abzuschalten, dadurch gekennzeichnet, daß

die Versorgungssteuerung (22) angeordnet ist, um auf eine Anforderung durch eine entsprechende Belastung (38, 40, 42) für eine Leistung aus der Stromversorgung (16) zu reagieren, um so zu bestimmen, ob die Anforderung größer ist als ein für diese Belastung (38, 40, 42) vorbestimmtes Limit, und um in diesem Fall die Anforderung nicht zu autorisieren und die Belastung abzuschalten, aber andernfalls die Anforderung zu autorisieren.

3. Stromversorgungssystem (10) nach Anspruch 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungssteuerung (46) angewiesen ist, die Stromversorgung zu einer Belastung zu unterbrechen, wenn die durch die Belastung (38, 40, 42) angeforderte Leistung größer ist als ein vorbestimmtes Limit, und die Versorgungssteuerung (22) die Einrichtung (24) veranlaßt, vorübergehend alle Belastungen (38, 40, 42) abzuschalten, wenn der Leistungsbedarf der einen Belastung (38, 40, 42) weiterhin überschritten wird.