EP1407531A2 - Verfahren und vorrichtung zur überbrückung von kurzzeitigen netzausfällen bei einem matrixumrichter - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur überbrückung von kurzzeitigen netzausfällen bei einem matrixumrichter

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Publication number
EP1407531A2
EP1407531A2 EP02760084A EP02760084A EP1407531A2 EP 1407531 A2 EP1407531 A2 EP 1407531A2 EP 02760084 A EP02760084 A EP 02760084A EP 02760084 A EP02760084 A EP 02760084A EP 1407531 A2 EP1407531 A2 EP 1407531A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
control
pointer
phase angle
input
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02760084A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hubert Schierling
Manfred Bruckmann
Olaf Simon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP1407531A2 publication Critical patent/EP1407531A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC
    • H02M5/04—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters
    • H02M5/22—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/25—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M5/27—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means for conversion of frequency
    • H02M5/271—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means for conversion of frequency from a three phase input voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53875—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output
    • H02M7/53876—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output based on synthesising a desired voltage vector via the selection of appropriate fundamental voltage vectors, and corresponding dwelling times
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems

Definitions

  • the invention relates to a method for bridging brief power failures in a matrix converter with a plurality of line-side mutation capacitors and a line-side switch unit, and to an apparatus for performing this method.
  • UPS uninterruptible power supply system
  • a secure network is set up regardless of the state of the supply network, to which the individual drive or several drives mechanically linked can be connected.
  • Such a solution is complex and very expensive for single drives or a multi-motor drive.
  • An option is known in the field of converter technology with a voltage intermediate circuit that protects converter-fed drives from brief power failures.
  • This option is known as kinetic buffering.
  • the drive In the case of a single drive, in the event of a power failure, the drive is braked so far into the generator area that the losses of the motor and the converter are covered by the kinetic energy of the motor and the coupled working machine. This is done with the help of a regulator that regulates the intermediate circuit voltage to a fixed value, for example 80% of the nominal value.
  • the manipulated variable is the torque setpoint or, in the case of field-oriented control, an addition to the speed setpoint or, for drives with V / f characteristic control, an addition to the frequency setpoint.
  • Power supply for the signal processing is either generated separately from a safe source or from the DC link. In this way, signal processing and control remain active, as a result of which the motor remains energized, so that it can be accelerated to the desired speed immediately after the mains voltage returns.
  • the "kinetic buffering” option is limited in use to inverters with a DC link or a DC link. This option cannot be used for matrix inverters due to the missing DC link.
  • a measure controlling a motor is trix converter connected to a supply network via an optional line filter or EMC filter.
  • This line filter is implemented, for example, from line chokes and commutation capacitors, which are connected to the input terminals of the matrix converter.
  • the commutation capacitors which can be connected in delta or star, are essential for the operation of the matrix converter.
  • the throttles inserted in the supply lines may not be necessary.
  • each matrix converter has commutation capacitors and chokes on the input side.
  • the matrix converters can also be electrically connected in parallel on the commutation capacitors. With this circuit variant, only three chokes are required for a three-phase supply network.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for bridging brief power failures in a matrix converter.
  • the matrix converter in the event of a determined power failure, is disconnected from the supply network and this is regulated during buffer operation in such a way that a capacitor voltage Istra space pointer is set at its input, the amplitude and phase angle of which each assume a predetermined value.
  • this set capacitor voltage Istra space pointer is tracked during a synchronization operation to a determined mains voltage Istra space pointer until they coincide, the matrix converter then being connected to the supplying network again.
  • a prerequisite for the method according to the invention is an operable separation point between the supply network and the matrix converter. This separation point must be opened in the event of a determined power failure and closed again when the power returns and synchronization has taken place.
  • the method according to the invention makes use of the fact that the power factor or the reactive current on the network side can be freely set within certain limits in a matrix converter.
  • This regulation of the reactive current on the input side or of the power factor of the matrix converter is a manipulated variable for the regulation of the capacitor voltage space vector during the buffer operation and during the synchronization operation of the method according to the invention.
  • a second manipulated variable for the control of the capacitor voltage rau pointer is an intervention with which the speed of the motor connected to the matrix converter can be influenced.
  • the voltage at the commutation capacitors is regulated in such a way that the sum of the energy contents of the commutation capacitors is kept at a constant value during the mains failure and that after the mains supply returns, the capacitor voltage is turned to the mains voltage of the supplying mains.
  • a device according to the invention for carrying out the method according to the invention has devices for detecting a capacitor voltage and a network voltage space vector, a voltage and phase angle control loop, a network monitoring device, a plurality of changeover switches and a disconnector.
  • This sequence control device actuates the changeover switch, thereby switching between the operating modes Normal, buffer and synchronizing operation can be changed.
  • the devices mentioned are required for the condition detection of the network and the matrix converter, the device for detecting the network voltage Istraum pointer being provided only as an initial device for the kinetic buffering.
  • a reactive current manipulated variable for the buffering and synchronizing operation is predetermined.
  • the device for detecting the mains current space vector and the downstream reactive current control circuit are also available for a matrix converter without kinetic buffering, but with the option of power factor control. The effort for the method according to the invention is thus simplified.
  • pilot control values are used instead of a phase angle control loop, which are supplied as a manipulated variable to the control-regulating device of the matrix converter by means of a switch depending on the operating mode.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an individual drive
  • FIG. 2 shows a signal flow diagram of a control system for an individual drive according to FIG
  • FIG. 3 shows a signal flow diagram of an advantageous control for a single drive according to FIG. 1
  • FIG. 4 shows a block diagram of a multi-axis drive
  • FIG. 5 shows the signal flow diagram of an associated control of a multi-axis drive
  • the FIG. 6 shows a block diagram of a variant of a multi-axis drive
  • FIG. 7 showing its associated control as a signal flow diagram.
  • 2 is a matrix converter and 4 an associated control and regulating device, 6 a commutation capacitor circuit, 8 a choke circuit, 10 a switch unit, 12 a supply network, 14 a voltage supply device and 16 a drive device Designated engine.
  • the matrix converter 2 is linked on the output side to connections of the motor 16 and on the input side to the commutation capacitor circuit 6.
  • the matrix converter 2 is linked on the output side to connections of the motor 16 and on the input side to the commutation capacitor circuit 6.
  • This commutation capacitor circuit 6 has three commutation capacitors C1, C2 and C3, which are shown here in FIG
  • This commutation capacitor circuit 6 is preceded by the choke circuit 8, which can be connected on the input side to the supplying network 12 by means of the switch unit 10.
  • the choke circuit 8 has three inductors L1, L2 and L3, which are each arranged in a feed line.
  • the switch unit 10 has three switches S1, S2 and S3, with which the feed lines from the supplying network 12 to the choke circuit 8 can be disconnected.
  • the voltage supply unit 14 is connected on the input side to the outputs of the switch unit 10 and on the output side to a supply connection of the control and regulating device 4 of the matrix converter 2.
  • This control and regulating device 4 is supplied with at least two measured mains phase voltages u N2 and u N3 and measured capacitor voltages u C ⁇ , u c2 and u C 3.
  • the measured mains phase voltage u N ⁇ can also be supplied.
  • These capacitor voltages u C ⁇ , u c2 and u c3 are measured at the inputs of the matrix converter 2, which thus represent the input voltages of the matrix converter 2.
  • two further inputs are at a measured speed actual value n me ß and a predetermined speed value at n *.
  • this control and regulating device 4 is supplied with measured mains currents im, i ⁇ j 2 and i N3 .
  • this control and regulating device 4 is linked by means of control lines to control inputs of the matrix converter 2 and to a control input of the switch unit 10.
  • the choke circuit 8 and the commutation capacitor circuit 6 together form a line filter.
  • switches SI, S2 and S3 of switch unit 10 are closed. Ie, these switches SI, S2 and S3 are in the N position, like normal operation.
  • Fast switches are to be provided as switches SI, S2 and S3, so that the matrix converter 2 can be immediately disconnected from the network 12 in the event of a power failure.
  • Semiconductor contactors can be provided as fast switches SI, S2 and S3. This rapid separation of the matrix converter 2 with the commutation capacitor circuit 6 on the input side means that the energy contents of the capacitors C1, C2 and C3 of the commutation capacitor circuit 6 have decreased insignificantly at the time before the separation.
  • a determined capacitor voltage Istra space pointer Hc measure shortly before a power failure corresponds to a determined capacitor voltage Istra space pointer U Cmeß shortly after the separation.
  • the input voltage Istraumzeme Cmeß shortly after the
  • This input voltage Istraum adapter Cmeß is the mains voltage space pointer uelzeme with nominal amplitude Nen n.
  • the motor 16 is controlled in such a way that this nominal value u Ne nn of the network amplitude is maintained, so that only when the power returns the input voltage Istraum pointer u Cmeß must be rotated to the determined mains voltage Istraum adapter u netzmeß .
  • the two space pointers u Cmeß and u nelzmeß congruent the synchronization operation is completed and the system switches to normal operation.
  • FIG. 2 shows the signal flow diagram of the control and regulating device 4 according to FIG. 1.
  • This control and regulating device 4 initially has a control unit 18 and a control unit 20.
  • the control unit 18 is preceded by a superimposed speed control circuit 22, which feeds a torque setpoint m * to this control unit.
  • the speed control loop 22 consists of a speed controller 24 and a comparator 26, which compares a measured actual speed value n measurement with a predetermined desired speed value n * .
  • this control and regulating device 4 has a device 28 for detecting a mains current isometric pointer _ i mtzmeß , a reactive current control circuit 30 and a device 32 for detecting a mains voltage
  • the device 28 and the downstream reactive current control circuit 30 are not required to carry out the method according to the invention. These two devices 28 and 30 are one way of generating a third manipulated variable for the control unit 20 in normal operation N.
  • a phase angle output of a device 32 for detecting a mains voltage isometric pointer mtzmeß is linked to an angular position input of the device 28 for detecting a mains current isometric pointer _ i mtzmeß .
  • the device 28 has a coordinate converter 34 with a vector rotator 36 connected downstream.
  • the downstream reactive current control circuit 30 has a controller 38 and a comparator 40.
  • the device 32 for detecting a mains voltage isometric pointer u nelzmeß also has a coordinate converter 42, which is followed by a further coordinate converter 44. At least two measured values i 1N 2 and u N2 , u N3 are present at the inputs of the input-side coordinate converter 34 and 42 of the device 28 and 32, respectively. It is also possible that all three measured mains current values in the / 1 N2A ⁇ N3 or mains phase voltages u N ir u N2 , U N3 the Corresponding coordinate converters 34 and 42 are supplied.
  • a three-phase system is converted into an orthogonal two-phase system.
  • the orthogonally rotating components u N ⁇ and u N ß of the mains voltage isometric pointer are measured in polar components
  • Component i referred to as active current and component i ⁇ as reactive current.
  • This ascertained reactive current component i ⁇ of the mains current Istraum addresser _ i baummeß is regulated in the downstream reactive current control circuit 30 to a predetermined reactive current setpoint i ⁇ .
  • the control variable present at the output of the controller 38 is fed to a third input of the control unit 20.
  • Two further inputs of this control unit 20 are linked to an output of a smoothing filter 46 and a phase output of a device 48 for detecting a capacitor voltage isometric pointer Cmeß .
  • This capacitor voltage Istraum pointer u Cmeß is from measured capacitor voltages u C 2 and u c3 or u c ⁇ , u c2 and u c3 by means of means 48 for detecting a capacitor voltage Istraum pointer u Cmeß in
  • this device 48 has a coordinate converter 50 and a vector rotator 52, which is connected downstream of the coordinate converter 50.
  • this coordinate converter 50 uses this coordinate converter 50 to generate two orthogonal circulating voltage components u C ⁇ and u Cß from the measured capacitor voltages u C ⁇ , u c2 and u c3 . These are converted as a function of the phase angle ⁇ c of the determined circulating capacitor voltage isometric pointer u Cmeß into two static polar voltage components.
  • the polar component amplitude u c is smoothed by means of the smoothing filter 46.
  • the polar component phase angle ⁇ c is also smoothed by means of a vector phase locked loop 54.
  • This vector phase locked loop 54 has one
  • Matrix converters 2 are required for the calculation of the control signals S v of the matrix converter 2.
  • this control and regulating device 4 can also be used for bridging brief power failures, it must first be determined whether there is a power failure.
  • a mains failure is determined by means of a mains voltage monitoring device 62, which is connected downstream of the amplitude output of the device 32 for detecting a mains voltage Istraum pointer u mlzme .
  • This line voltage monitoring device 62 has a proportional-integral effect Controller 64, which is also referred to as a PI controller, has a comparator 66 and an adder 68.
  • PI controller proportional-integral effect Controller
  • a comparator 66 By means of this monitoring device 62 it is determined whether the amplitude of the mains voltage actual space pointer nelzmeß falls below a predetermined lower tolerance limit . For this purpose, an amplitude deviation ⁇ u n e tz is determined, which is fed to a sequence control device 70.
  • the sequence control device 70 switches from normal operation N to buffer operation P. On the basis of a positive determination, the system switches to buffer mode P with an output signal. This means that all changeover switches 80, 82 and 84 are switched to position P and all controllers marked with P are released.
  • This second vector control loop 72 also has a controller 74, an integrator 76, a comparator and an adder 78. At an input of this adder 78 is the nominal value f nominal network frequency f n.
  • controllers identified by P include a controller 86 of a voltage control loop 88 and a controller 90 of a phase angle control loop 92.
  • the voltage control loop 88 also has a comparator 94, at whose inverting input the amplitude u c of the capacitor voltage Istrum pointer Cmeß and its non- inverting
  • the phase angle control circuit 92 likewise has a comparator 96, at whose inverting input the smoothed phase angle ⁇ c of the capacitor voltage isometric pointer u Cmeß and at whose non-inverting input the smoothed phase angle ⁇ network of the mains voltage actual space pointer u mtzmeß .
  • the deviations .DELTA.u c and .DELTA..gamma. Determined by means of the comparators 94 and 96 are not only fed to the respective downstream controllers 86 and 90, but also to the sequence control device 70, which evaluates these values.
  • the controllers 86 and 90 are pre-controlled.
  • these controllers 86 and 90 each have an addition point 98 and 100, respectively.
  • the pilot control value for the voltage regulator 86 is a power loss to be expected of the value P puff vo r of the matrix converter 2.
  • this summing point 98 is connected to a divider 102, whose output is linked to an input of the switch 80th This divider is only used to linearize the controlled system and to reverse the sign when the direction of rotation is reversed.
  • the measured actual speed value n meas is available at the denominator input .
  • This switch 80 is connected to the output of the speed controller 24.
  • this changeover switch 80 is connected to a control input of the control unit 18, which generates a motor voltage setpoint space vector u motor , from which the control unit 20 then uses the polarity components u c and ⁇ c of the capacitor voltage isometric space pointer u Cmeß and a manipulated variable for the power factor, control signals S v are generated for the semiconductor switches of the matrix converter 2 which can be switched off.
  • the manipulated variable for the power factor is no longer generated during the buffer operation P by means of the reactive current control circuit 30, but by means of the phase control circuit 92.
  • This phase control circuit 92 has the changeover switch 82 between the input-side comparator 96 and the controller 90, by means of which a determined phase angle deviation ⁇ or a Phase angle ⁇ c of the determined capacitor voltage actual space vector Cmeß can be given to the controller input .
  • the outputs of the reactive current regulator 38 and the pilot-controlled phase angle regulator 90 are each connected to an input of the switching Switch 84 connected, which is linked on the output side to an input of the control unit 20 for the manipulated variable for the power factor.
  • Phase angle ⁇ c of the determined capacitor voltage iso space vector Cmeß regulated.
  • the pilot control value of the phase angle controller 90 is an expected reactive current, which depends on the value of the commutation capacitors C1, C2 and
  • the network 12 is monitored for the return of the mains voltage. This is carried out by the sequence control device 70 as a function of the determined amplitude deviation ⁇ u n et z of the mains voltage. Below this amplitude deviation .DELTA.u network a predetermined value, this is the signal for the return of the mains voltage. As soon as this has been recognized, the sequence control device 70 controls the changeover switches 80, 82 and 84 in such a way that they reach the S position for the synchronizing operation S. In addition, all controllers marked with S are released. These switching operations switch from buffer mode P to synchronization mode S.
  • the difference between the synchronizing mode S and the buffer mode P is that a determined phase angle deviation ⁇ is now used in the phase locked loop 92 between the phase angle ⁇ ne tz of the mains voltage isometric pointer u zmeß and the phase angle ⁇ c of the capacitor voltage isometric pointer Cmeß .
  • the amplitude u c and the phase angle ⁇ c of the capacitor voltage isometric pointer u Cmeß are now regulated so that this capacitor voltage isometric pointer u Cmeß is congruent with the mains voltage isometric pointer u netzme .
  • the achievement of this goal can be recognized from the fact that the determined amplitude deviation ⁇ u c and phase angle deviation ⁇ become zero.
  • the switches SI, S2 and S3 of the switch unit 10 are closed again and the control and regulating device 4 changes back to normal operation.
  • the subsequent acceleration to the original speed setpoint n * can be made smooth by setting the speed setpoint n * via a ramp-function generator, not shown.
  • the ramp function generator is set to the current actual speed value n meas when changing to normal operation.
  • FIG. 3 shows a signal flow diagram of an advantageous regulation for a single drive according to FIG. 1.
  • This advantageous control differs from the signal flow diagram of the control according to FIG. 2 in that instead of a device 28 for detecting a mains current Istraum addresser _ i mtzmeß with a downstream reactive current control circuit 30 pilot values for the power factor and for the frequency of the capacitor voltage for the individual operating modes of the control and Control device 4 of the matrix converter 2 can be used.
  • the pilot control values for the power factor are fed to the corresponding input of the control unit 20 by means of a changeover switch 104.
  • the precontrol values for the frequency of the capacitor voltage are changed by means of a switch 106 to an input of the comparator 60 of the vector control circuit 54 for smoothing the phase angle ⁇ c of the given average capacitor voltage Istrum pointer Cmeß .
  • the manipulated variable "cos ⁇ " is specified in a controlled manner depending on the operating state.
  • the frequency of the phase angle ⁇ c of the capacitor voltage isometric pointer u Cmeß is freely set in the buffer mode and during the synchronization.
  • the pre-control values fbuffer fsynchron and f ne nn for the buffer mode P, the synchronization mode S and the normal mode N are used only for the pre-control of the vector phase locked loop 54 for smoothing the phase angle ⁇ c of the determined capacitor voltage
  • Switching on is achieved when the phase angle deviation ⁇ is approximately zero.
  • the requirement for the speed or accuracy of the connection can be reduced by the controlled specification of the reactive current i ⁇ by means of the precontrol value cos an synC ron corresponding to a frequency f sy nchr o n.
  • the synchronous times for switching on the switches S1, S2 and S3 then occur less frequently.
  • the buffer value f PUff er can also be zero.
  • the capacitor voltage Istraum pointer u Cmeß is a standing pointer (DC voltage) and no other consumers can be supplied that are dependent on mains frequency voltages.
  • this has one motor 16 ⁇ , 16 2 , I63, one dimension per axis. trix converter 2 ⁇ , 2 2 , 2 3 and a commutation capacitor circuit 6 1 , 6 2 , 6 3 .
  • the commutation capacitor circuits 6 ⁇ , 6 2 and 6 3 are connected on the input side to a choke circuit 8 which can be connected on the input side to a supply network 12 by means of a switch unit 10.
  • Each commutation capacitor circuit 6 1 , 6 2 and 6 3 has three capacitors C1, C2 and C3, which are connected in a triangle here. These commutation capacitors C1, C2 and C3 can also be connected in star.
  • the choke circuit 8 has three inductors L1, L2 and L3, which are each arranged in a feed line.
  • the switch unit 10 has three switches S1, S2 and S3, with which the feed lines from the supplying network 12 to the choke circuit 8 can be disconnected.
  • a voltage supply unit 14 is connected on the input side to the outputs of the switch unit 10 and on the output side to a supply voltage connection of the control and regulating unit 4 '.
  • This control and regulating device 4 ' is supplied with at least two measured line voltages u N3 , u N2 , two measured capacitor voltages u C 3, u c2 and two measured line currents i N 3, i N2 .
  • This control and regulating device 4 ' is connected on the output side to the control inputs of the switch unit 10 and in each case to a control and regulating device 4 " ⁇ , 4" 2 and 4 "close to the converter.
  • Generated signals n * ⁇ , n * 2 , n * 3 and K ⁇ are fed from the control and regulating device 4 'to the control and regulating devices 4 " lr 4" 2 and 4 " 3 close to the converter.
  • FIG. 4 A signal flow diagram of the multi-axis drive according to FIG. 4 is shown in more detail in FIG.
  • This signal flow plan differs from the signal flow plan according to FIG. 2 in that the control and regulating unit 4 is now divided into a central unit 4 'and a plurality of converter units 4 ", 4" 2 and 4 " 3.
  • the central unit 4' comprises the devices 28, 32 and 48 for detecting a mains current, a mains voltage and a capacitor voltage Istraum adapter _ i mzmeß , u net ⁇ meß and u Cmeß .
  • This central unit 4 ' also includes the
  • Reactive current control loop 30 the vector phase control loops 54 and 72, the mains voltage monitoring device 62, the sequence control device 70, the phase angle control loop 92 and a modified voltage control loop 88. These components have already been described in detail, so that repetition can be omitted here.
  • the manipulated variable for the power factor has been designated K ⁇ here.
  • this manipulated variable is not directly supplied to an input of a control unit 20 ⁇ , 20 2 and 20 3, each drive rates this control value K ⁇ with an individual reference value i B eyak f of each of a control unit 18 ⁇ , 18 2 or 18 3 converter units 4 " ⁇ , 4" 2 and 4 ", 3 is generated.
  • the individual reference value ISSEs ug for example, from the mains may be derived from Leerlaufström the engine from the minimum current for field weakening or from the momentarily reactive power capability of the associated drive. It is also possible that the individual reference values ISSEs z ug corresponding to a desired division of the posts of the drives are set to the total reactive power. This individual handling of the control value K ⁇ can thus controlling the input-side reactive currents for all drives of the multi-axis drive with the same signal K ⁇ effected.
  • the voltage control loop 88 is followed by a device 108 for axis coordination, a device 110 for evaluating a main speed setpoint n *** being connected between the voltage control loop 88 and the device 108 for axis coordination.
  • the speed of the whole is determined by means of the main speed setpoint n ***
  • the device 110 for evaluation has a multiplier 112 and a subtractor 114.
  • the main speed setpoint n *** is present at an input of the multiplier 112 and a weighting factor Ku, which is present at the output of the subtractor 114, is present at the second input.
  • this multiplier 112 is connected to an input of the device 108 for axis coordination. ties.
  • At the first input of the subtractor 114 there is a constant with the value one and its second input is linked to the output of the voltage control loop 88. Since this voltage control loop 88 is only active during the buffering and synchronizing operation, the main speed setpoint n *** is passed on unchanged to the device 108 for axis coordination in normal operation. In buffer mode and during synchronization, the main speed setpoint n *** is reduced so that the total feed-in power of all drives is zero in total, ie the total power requirement is covered by the kinetic energy of the multi-axis drive.
  • the device 108 for axis coordination can be a synchronous control device, an electronic gear, electronic cams or similar couplings, as are common in multi-axis drive configurations.
  • the multi-axis drive can of course also be controlled in such a way that individual drives or drive groups continue to run at unchanged speed in buffer operation and during synchronization and only a few drives of this multi-axis drive take over the function "kinetic buffering".
  • a ramp-function generator can be used to slowly return to the original main speed after return of power and synchronization.
  • the other units of this central unit 4 'mentioned work largely as in the case of an individual drive according to FIG. 2.
  • This central unit 4' can be implemented in separate signal processing. However, there is also the possibility of assigning this central unit 4 'to a drive, for example a master drive, of the multi-axis drive. This central unit 4 'can also be distributed to the signal processing of the individual drives. Since the control unit 20 of the matrix converter 2 requires the smoothed components of the determined capacitor voltage Istra space pointer Cmeß (input voltage Istra space pointer), the measured capacitor voltages u C ⁇ , u c2 and u c3 are supplied to each drive of the multi-axis drive shown in FIG. 5, each converter unit 4 ", 4" 2 or 4 " 3 has a device
  • the converter unit 4 ", 4" 2 or 4 " 3 also has a multiplier 116 ⁇ , 116 or 116 3 for the individual evaluation of the control signal K ⁇ for the power factor.
  • multipliers 116 ⁇ , 116 2 or 116 3 is the generated control signal K ⁇ and at the other input there is a reference current value i B eyaki / ißeyak2 or i B ezu g 3.
  • the multiplier 11 ⁇ i, 116 2 or 116 with the input for the control variable of the power factor of the control unit is on the output side 20 ⁇ , 20 2 or 2O 3 connected.
  • FIG. 6 shows a variant of the multi-axis drive according to FIG. 4.
  • This variant of the multi-axis drive differs from the multi-axis drive according to FIG. 4 in that a throttle unit 81, 82 or 8 3 is assigned to each drive.
  • each drive of the multi-axis drive has its own line filter, each of the inductors L1, L2 and L3 of the choke unit 81, 8 2 and 83 and the capacitors Cl, C2 and C3 of the commutation capacitor circuit 6 X , 6 2 and 6 respectively 3 is formed.
  • the voltages before and after the switching unit 10 are now evaluated by the central unit 4 '.
  • FIG. 7 shows an associated signal flow diagram for the multi-axis drive according to FIG. 6 in more detail.
  • This signal flow diagram differs from the signal flow diagram shown in FIG 5 in that instead of a device 28 for detecting a line current space vector i_ robmeß with downstream reactive current control circuit 30, a pilot control value i * ⁇ n ormal is provided.
  • each converter unit 4 ", 4" 2 or 4 "3 now has a reactive current control circuit 30regel, 3Ü 2 or 30 3.
  • each reactive current control circuit 30 ⁇ , 30 2 or 30 3 of the converter units 4" ⁇ , 4 " 2 or 4 " 3 linked to an input for the manipulated variable of the power factor of the control unit 20 ⁇ , 20 2 or 2O3.
  • each drive of the multi-axis drive regulates its own reactive current in normal operation.
  • These control inputs are used in buffer mode and during synchronization to regulate the angle of the busbar voltage.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei einem Matrixumrichter (2) und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Erfindungsgemäß wird bei einem ermittelten Netzausfall der Matrixumrichter (2) vom speisenden Netz (12) getrennt und in einen Pufferbetrieb (P) gewechselt, in dem ein ermittelter Kondensatorspannungs-Istraumzeiger (uCmeβ) auf einem vorbestimmten Raumzeiger geregelt wird, wobei bei Netzwiederkehr dieser Kondensator-Istraumzeiger (unetzmeβ) synchronisiert wird und wobei bei Synchronität der Matrixumrichter (2) wieder ans speisende Netz (12) geschaltet wird. Somit kann die kinetische Pufferung auch von einem Matrixumrichter (2) ausgeführt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei einem Matrixumrichter
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei einem Matrixumrichter mit mehreren netzseitigen Ko mutierungskondensatoren und einer netzseitigen Schaltereinheit und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei Einzelantrieben soll nach vorübergehenden Netzausfällen die Solldrehzahl möglichst schnell wieder erreicht werden. Ohne Zusatzmaßnahmen ergeben sich lange Wiederanlaufzeiten, dadurch, dass die Signalverarbeitung wieder hoch laufen und neu initialisiert werden und der Motor neu erregt werden müssen. Bei mehreren Antrieben, die mechanisch koordinierte Bewegungen ausführen müssen, geht bei einem Netzausfall ohne Zusatzmaßnahmen die Steuerbarkeit der Antriebe verloren, wo- durch die Mechanik beschädigt werden kann.
Das beschriebene Problem kann beispielsweise mittels einer unterbrechungsfreien Stromversorgungs-Anlage, die auch als USV-Anlage bezeichnet wird, behoben werden. Mittels einer solchen USV-Anlage wird unabhängig vom Zustand des speisenden Netzes ein sicheres Netz aufgebaut, an dem der Einzelantrieb oder mehrere miteinander mechanisch verknüpfte Antriebe angeschlossen werden können. Eine derartige Lösung ist für Einzelantriebe bzw. eines Mehrmotorenantriebs aufwendig und sehr kostspielig.
Auf dem Gebiet der Umrichtertechnik mit Spannungszwischenkreis ist eine Option bekannt, die stromrichtergespeiste Antriebe vor kurzzeitigen Netzausfällen schützt. Diese Option ist als sogenannte kinetische Pufferung bekannt. Bei einem Einzelantrieb wird der Antrieb bei einem Netzausfall so weit durch Abbremsen in den generatorischen Bereich gefahren, dass die Verluste des Motors und des Umrichters aus der kinetischen Energie des Motors und der angekoppelten Ar- beitsmaschine gedeckt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Reglers, der die Zwischenkreisspannung auf einen festen Wert, beispielsweise 80 % des Nennwertes, regelt. Stellgröße ist der Drehmoment-Sollwert oder bei feldorientierter Regelung ein Zusatz zum Drehzahl-Sollwert oder bei Antrieben mit U/f- Kennliniensteuerung ein Zusatz zum Frequenzsollwert. Die
Spannungsversorgung der Signalverarbeitung wird entweder separat aus einer sicheren Quelle oder aus dem Gleichspannungszwischenkreis erzeugt. Auf diese Weise bleiben Signalverarbeitung und Regelung aktiv, wodurch der Motor erregt bleibt, so dass dieser unmittelbar nach Wiederkehr der Netzspannung wieder auf die Solldrehzahl beschleunigt werden kann.
Bei mehreren verkoppelten Antrieben sind alle Zwischenkreise miteinander verbunden, so dass ein Energieaustausch zwischen ihnen erfolgt. Bei einem Netzausfall wird das Drehzahlniveau aller Antriebe insgesamt abgesenkt, um den Energiebedarf zu decken. Die erforderlichen Drehzahlrelationen oder Winkelbeziehungen zwischen den einzelnen Antrieben bleiben erhalten, bis die Netzspannung wiederkehrt oder die Anlage steht. Die Spannungsversorgung der Signalverarbeitung geschieht wie bei Einzelantrieben beschrieben. Die Zwischenkreisspannung wird auf einen Wert unterhalb des Nennwertes geregelt. Stellgröße ist der Hauptgeschwindigkeits-Sollwert der Anlage.
Diese Option "kinetische Pufferung" ist in der Anwendung beschränkt auf Umrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis bzw. einem Gleichstromzwischenkreis. Bei Matrixumrichtern lässt sich diese Option aufgrund des fehlenden Zwischenkreises nicht anwenden.
Bei einem Einzelantrieb ist ein einen Motor steuernder Ma- trixumrichter über ein optionales Netzfilter bzw. EMV-Filter an ein speisendes Netz angeschlossen. Dieses Netzfilter wird beispielsweise aus Leitungsdrosseln und Kommutierungskondensatoren, die an den Eingangs lemmen des Matrixumrichters angeschlossen sind, realisiert. Die Kommutierungskondensatoren, die in Dreieck oder Stern geschaltet sein können, sind für den Betrieb des Matrixumrichters unerlässlich. Auf die in den Zuleitungen eingefügten Drosseln kann unter Umständen verzichtet werden.
Bei einem Mehrachsenantrieb werden beispielsweise mehrere der oben beschriebenen Einzelantriebe an einem speisenden Netz betrieben. D.h., jeder Matrixumrichter weist eingangsseitig Kommutierungskondensatoren und Drosseln auf. Um die Anzahl der Drosseln zu reduzieren kann man die Matrixumrichter auch an den Kommutierungskondensatoren elektrisch parallel schalten. Bei dieser Schaltungsvariante werden bei einem dreiphasigen speisenden Netz nur drei Drosseln benötigt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überbrückung kurzzeitiger Netzausfälle bei einem Matrixumrichter anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An- spruchs 1 bzw. 13 gelöst.
Gemäß diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einem ermittelten Netzausfall der Matrixumrichter vom speisenden Netz getrennt und dieser während eines Pufferbetriebes derart ge- regelt, dass sich an seinem Eingang ein Kondensatorspannungs- Istraumzeiger einstellt, dessen Amplitude und Phasenwinkel jeweils einen vorbestimmten Wert einnimmt. Bei Wiederkehr der Netzspannung wird dieser eingestellte Kondensatorspannungs- Istraumzeiger während eines Synchronisierbetriebes einem er- mittelten Netzspannungs-Istraumzeiger solange nachgeführt bis diese zusammenfallen, wobei dann der Matrixumrichter wieder an das speisende Netz geschaltet wird. Eine Voraussetzung für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine bedienbare Trennstelle zwischen dem speisenden Netz und dem Matrixumrichter. Diese Trennstelle muss bei einem ermittelten Netzausfall geöffnet und bei Netzwiederkehr und er- folgter Synchronisation wieder geschlossen werden.
Außerdem macht das erfindungsgemäße Verfahren von der Tatsache Gebrauch, dass bei einem Matrixumrichter der Leistungsfaktor bzw. der Blindstrom auf der Netzseite in gewissen Grenzen frei einstellbar ist. Diese Regelung des eingangssei- tigen Blindstromes oder des Leistungsfaktors des Matrixumrichters ist eine Stellgröße für die Regelung des Kondensa- torspannungs-Raumzeigers während des Pufferbetriebes und während des Synchronisationbetriebes des erfindungsgemäßen Ver- fahrens . Eine zweite Stellgröße für die Regelung des Konden- satorspannungs-Rau zeigers ist ein Eingriff, mit dem die Drehzahl des am Matrixumrichter angeschlossenen Motors beein- flusst werden kann. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spannung an den Kommutierungskondensatoren so gere- gelt, dass während des Netzausfalls die Summe der Energieinhalte der Kommutierungskondensatoren auf einen konstanten Wert gehalten wird und dass nach Netzwiederkehr die Kondensatorspannung auf die Netzspannung des speisenden Netzes gedreht wird.
Mittels dieses erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überbrückung kurzzeitiger Netzausfälle gibt es nun auch die Option "kinetische Pufferung" bei einem Matrixumrichter, wodurch ein entscheidender Nachteil dieser Umrichtertopologie behoben ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist Einrichtungen zum Erfassen eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Raumzei- gers, einen Spannungs- und Phasenwinkelregelkreis, eine Netz- Überwachungseinrichtung, mehrere Umschalter und eine Ab-
' laufSteuereinrichtung auf. Diese AblaufSteuereinrichtung betätigt die Umschalter, wodurch zwischen den Betriebsarten Normal-, Puffer- und Synchronisierbetrieb gewechselt werden kann. Die genannten Einrichtungen werden zur Zustandserfassung des Netzes und des Matrixumrichters benötigt, wobei die Einrichtung zur Erfassung des Netzspannungs-Istraumzeigers lediglich als Initialeinrichtung für die kinetische Pufferung vorgesehen ist.
Bei einem vorteilhaften Verfahren wird jeweils eine Blindstromstellgröße für den Puffer- und -Synchronisierbetrieb fest vorgegeben. Die Einrichtung zur Erfassung des Netzstrom- Raumzeigers und des nachgeschalteten Blindstromregelkreises sind auch bei einem Matrixumrichter ohne kinetische Pufferung, jedoch mit der Möglichkeit der Leistungsfaktorregelung, vorhanden. Somit vereinfacht sich der Aufwand für das erfin- dungsgemäße Verfahren.
Bei einer zugehörigen vorteilhaften Vorrichtung werden anstelle eines Phasenwinkelregelkreises Vorsteuerwerte verwendet, die mittels eines Umschalters in Abhängigkeit der Be- triebsart als Stellgröße der Steuer- Regeleinrichtung des Matrixumrichters zugeführt werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht sind.
FIG 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Einzelantriebs, in FIG 2 ist ein Signalflussplan einer Regelung für einen Ein- zelantrieb nach FIG 1 dargestellt, die
FIG 3 zeigt einen Signalflussplan einer vorteilhaften Regelung für einen Einzelantrieb nach FIG 1, in der FIG 4 ist ein Blockschaltbild eines Mehrachsenantriebs dargestellt, wobei die FIG 5 den Signalflussplan einer zugehörigen Regelung eines Mehrachsenantriebs darstellt, und die FIG 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Variante eines Mehrachsenantriebs, wobei die FIG 7 dessen zugehörige Regelung als Signalflussplan darstellt .
Im Blockschaltbild gemäß FIG 1 sind mit 2 ein Matrixumrichter und mit 4 eine zugehörige Steuer- und Regeleinrichtung, mit 6 eine Kommutierungskondensatorschaltung, mit 8 eine Drosselschaltung, mit 10 eine Schaltereinheit, mit 12 ein speisendes Netz, mit 14 eine Spannungsversorgungseinrichtung und mit 16 ein anzutreibender Motor bezeichnet. Der Matrixumrichter 2 ist ausgangsseitig mit Anschlüssen des Motors 16 und ein- gangsseitig mit der Kommutierungskondensatorschaltung 6 verknüpft. Diese Kommutierungskondensatorschaltung 6 weist drei Kommutierungskondensatoren Cl, C2 und C3 auf, die hier in
Dreieck geschaltet sind. Diese Kommutierungskondensatoren Cl, C2 und C3 können auch in Stern geschaltet werden. Dieser Kommutierungskondensatorschaltung 6 ist die Drosselschaltung 8 vorgeschaltet, die eingangsseitig mittels der Schaltereinheit 10 mit dem speisenden Netz 12 verbindbar ist. Die Drosselschaltung 8 weist drei Induktivitäten Ll, L2 und L3 auf, die jeweils in einer Zuleitung angeordnet sind. Die Schaltereinheit 10 weist drei Schalter Sl, S2 und S3 auf, mit denen die Zuleitungen vom speisenden Netz 12 zur Drosselschaltung 8 aufgetrennt werden können. Die Spannungsversorgungseinheit 14 ist eingangsseitig mit den Ausgängen der Schaltereinheit 10 und ausgangsseitig mit einem Versorgungsanschluss der Steuer- und Regeleinrichtung 4 des Matrixumrichters 2 verbunden. Dieser Steuer- und Regeleinrichtung 4 sind wenigstens zwei ge- messene Netzphasenspannungen uN2 und uN3 und gemessene Kondensatorspannungen uCι, uc2 und uC3 zugeführt. Es kann auch noch die gemessene Netzphasenspannung uNι zugeführt werden. Diese Kondensatorspannungen uCι, uc2 und uc3 werden an den Eingängen des Matrixumrichters 2 gemessen, die somit die Eingangsspan- nungen des Matrixumrichters 2 darstellen. Außerdem stehen an zwei weiteren Eingängen ein gemessener Drehzahl-Istwert nmeß und ein vorbestimmter Drehzahl-Sollwert n* an. Ferner werden in der dargestellten Ausführungsform dieser Steuer- und Regeleinrichtung 4 gemessene Netzströme im, iϊj2 und iN3 zugeführt. Ausgangsseitig ist diese Steuer- und Regeleinrichtung 4 mittels Steuerleitungen mit Steuereingängen des Matrixum- richters 2 und mit einem Steuereingang der Schaltereinheit 10 verknüpft. Die Drosselschaltung 8 und die Kommutierungskondensatorschaltung 6 bilden zusammen ein Netzfilter.
Im Normalbetrieb sind die Schalter SI, S2 und S3 der Schal- tereinheit 10 geschlossen. D.h., diese Schalter SI, S2 und S3 sind in der Stellung N, wie Normalbetrieb, geschaltet. Als Schalter SI, S2 und S3 sind jeweils schnelle Schalter vorzusehen, damit bei einem Netzausfall der Matrixumrichter 2 umgehend vom Netz 12 getrennt werden kann. Als schneller Schal- ter SI, S2 und S3 können Halbleiterschütze vorgesehen sein. Durch diese schnelle Trennung des Matrixumrichters 2 mit der eingangsseitigen Kommutierungskondensatorschaltung 6 wird erreicht, dass die Energieinhalte der Kondensatoren Cl, C2 und C3 der Kommutierungskondensatorschaltung 6 sich unwesentlich zum Zeitpunkt vor der Trennung verringert haben. Somit entspricht ein ermittelter Kondensatorspannungs-Istraumzeiger Hcmeß kurz vor einem Netzausfall einem ermittelten Kondensa- torspannungs-Istraumzeiger uCmeß kurz nach der Trennung. D.h., in Verbindung mit den schnellen Schaltern SI, S2 und S3 hat sich der Eingangsspannungs-Istraumzeiger Cmeß kurz nach der
Trennung nur unwesentlich gegenüber einem Eingangsspannungs- Istrau zeiger Cmeß zum Zeitpunkt kurz vor der Trennung geändert. Dieser Eingangsspannungs-Istraumzeiger Cmeß ist der Netzspannung-Raumzeiger u„elzme mit Nennamplitude Nenn. Während des Pufferbetriebes, gekennzeichnet durch ein P, wird der Motor 16 derart gesteuert, dass dieser Nennwert uNenn der Netzamplitude aufrechterhalten wird, damit bei Netzwiederkehr nur noch der Eingangsspannungs-Istraumzeiger uCmeß auf den ermittelten Netzspannungs-Istraumzeiger unetzmeß gedreht werden muss. Sind die beiden Raumzeiger uCmeß und unelzmeß deckungs- gleich, ist der Synchronisierbetrieb abgeschlossen und es wird in den Normalbetrieb gewechselt.
Die FIG 2 zeigt den Signalflussplan der Steuer- und Regelein- richtung 4 nach FIG 1. Diese Steuer- und Regeleinrichtung 4 weist zunächst eine Regeleinheit 18 und eine Steuereinheit 20 auf. Der Regeleinheit 18 ist ein überlagerter Drehzahlregelkreis 22 vorgeschaltet, der dieser Regeleinheit einen Drehmoment-Sollwert m* zuführt. Der Drehzahlregelkreis 22 besteht aus einem Drehzahlregler 24 und einem Vergleicher 26, der einen gemessenen Drehzahl-Istwert nmeß mit einem vorbestimmten Drehzahl-Sollwert n* vergleicht. Außerdem weist diese Steuer- und Regeleinrichtung 4 eine Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers _ imtzmeß , einen Blindstromregelkreis 30 und eine Einrichtung 32 zum Erfassen eines Netzspannungs-
Istraumzeigers netzmeß auf. Die Einrichtung 28 und der nachgeschaltete Blindstromregelkreis 30 sind für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich. Diese beiden Einrichtungen 28 und 30 sind eine Möglichkeit im Normalbetrieb N eine dritte Stellgröße für die Steuereinheit 20 zu generieren. Ein Phasenwinkel-Ausgang einer Einrichtung 32 zum Erfassen eines Netzspannungs-Istraumzeigers mtzmeß ist mit einem Winkelstelleingang der Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers _ imtzmeß verknüpft.
Die Einrichtung 28 weist einen Koordinatenwandler 34 mit nachgeschalteten Vektordreher 36 auf. Der nachgeschaltete Blindstromregelkreis 30 weist einen Regler 38 und einen Vergleicher 40 auf. Die Einrichtung 32 zum Erfassen eines Netzspannungs-Istraumzeigers unelzmeß weist ebenfalls einen Koordinatenwandler 42 auf, dem ein weiterer Koordinatenwandler 44 nachgeschaltet ist. An den Eingängen des eingangsseitigen Koordinatenwandlers 34 bzw. 42 der Einrichtung 28 bzw. 32 stehen wenigstens zwei gemessene Werte i 1N2 bzw. uN2, uN3 an. Es ist auch möglich, dass alle drei gemessenen Netzstromwerte im/ 1N2A ΪN3 bzw. Netzphasenspannungen uNir uN2, UN3 dem korrespondierenden Koordinatenwandler 34 bzw. 42 zugeführt werden.
Mittels dieser Koordinatenwandler 34 und 42 wird jeweils ein Dreiphasensystem in ein orthogonales Zweiphasensystem gewandelt. An den beiden Ausgängen des Koordinatenwandlers 34 bzw. 42 stehen die orthogonalen Komponenten iNα und iNß bzw. uNα und uNß eines mit der Netzfrequenz fN umlaufenden Netzstrom-Istraumzeigers _ imtzmeß bzw. Netzspannungs-Istraumzeigers nelzmeß an. Mittels des nachgeschalteten weiteren Koordinatenwandlers 44 werden die orthogonal umlaufenden Komponenten uNα und uNß des Netzspannungs-Istraumzeigers netzmeß in polare Komponenten
Amplitude unetz meß und Phasenwinkel γnetz des Netzspannungs- Istraumzeigers wnetomejS gewandelt . Mit Hilfe dieser polaren Kom- ponente Phasenwinkel γnetz des Netzspannungs-Istraumzeigers
Umtzmeß und des Vektordrehers 36 der Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers _ inetzmeß werden die beiden umlaufenden orthogonalen Stromkomponenten iNα und iNß in zwei ruhende Stromkomponenten i und iμ eines mit dem umlaufenden Netzspannungs-Raumzeiger u„elzmeß umlaufenden Koordinatensystems gewandelt. D.h., der Netzstrom-Istraumzeiger _ imtzmeß ist auf den Netzspannungs-Istraumzeiger nelzmeß abgebildet.
Bei diesen beiden Stromkomponenten i und iμ handelt es sich um eine Komponente in Richtung des Netzspannungs-Raumzeigers ILn tz eß und um eine Komponente senkrecht zur Richtung des Netzspannungs-Raumzeigers unetzmeß . Aus diesen Gründen wird die
Komponente i als Wirkstrom und die Komponente iμ als Blindstrom bezeichnet. Diese ermittelte Blindstromkomponente iμ des Netzstrom-Istraumzeigers _ inetzmeß wird in dem nachgeschalteten Blindstromregelkreis 30 auf einen vorbestimmten Blindstrom-Sollwert i μ geregelt. Die am Ausgang des Reglers 38 anstehende Stellgröße wird einem dritten Eingang der Steuereinheit 20 zugeführt. Zwei weitere Eingänge dieser Steuereinheit 20 sind mit einem Ausgang eines Glättungsfilter 46 und einem Phasenausgang einer Einrichtung 48 zum Erfassen eines Kondensatorspannungs- Istraumzeigers Cmeß verknüpft. Dieser Kondensatorspannungs- Istraumzeiger uCmeß wird aus gemessenen Kondensatorspannungen uC2 und uc3 bzw. ucι, uc2 und uc3 mittels der Einrichtung 48 zum Erfassen eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß in
Abhängigkeit seines Phasenwinkels γc ermittelt. Dazu weist diese Einrichtung 48 einen Koordinatenwandler 50 und einen Vektordreher 52 auf, der dem Koordinatenwandler 50 nachgeschaltet ist. Mittels dieses Koordinatenwandlers 50 werden aus den gemessenen Kondensatorspannungen uCι, uc2 und uc3 zwei orthogonale umlaufende Spannungskomponenten uCα und uCß generiert. Diese werden in Abhängigkeit des Phasenwinkels γc des ermittelten umlaufenden Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß in zwei ruhende polare Spannungskomponenten gewandelt.
Die polare Komponente Amplitude uc wird mittels des Glättungsfilters 46 geglättet. Die polare Komponente Phasenwinkel γc wird ebenfalls mittels eines Vektorphasenregelkreises 54 geglättet. Dieser Vektorphasenregelkreises 54 weist einen
Regler 56, einen Integrator 58 und einen Addierer 60 auf. Am Addierer 60 steht außerdem ein Nennwert fnenn der Netzfrequenz fN an, damit sich der Phasenwinkel γc entsprechend weiterverändert (umlaufender Zeiger) . Diese geglätteten polaren Kompo- nenten uc und γc des Eingangsspannungs-Istraumzeigers uCmeß des
Matrixumrichters 2 werden für die Berechnung der Steuersignale Sv des Matrixumrichters 2 benötigt.
Damit diese Steuer- und Regeleinrichtung 4 auch zur Überbrü- ckung kurzzeitiger Netzausfälle verwendet werden kann, muss zunächst festgestellt werden, ob ein Netzausfall vorliegt.
Ein Netzausfall wird mittels einer Netzspannungsüberwachungs- einrichtung 62 ermittelt, die dem Amplituden-Ausgang der Ein- richtung 32 zum Erfassen eines Netzspannungs-Istraumzeigers umlzme nachgeschaltet ist. Diese Netzspannungsüberwachungs- einrichtung 62 weist einen proportional-integral wirkenden Regler 64, der auch als PI-Regler bezeichnet wird, einen Vergleicher 66 und einen Addierer 68 auf. Mittels dieser Ü- berwachungseinrichtung 62 wird festgestellt, ob die Amplitude netz eß des Netzspannungs-Istraumzeigers nelzmeß unter eine vorbestimmte untere Toleranzgrenze fällt. Dazu wird eine Amplitudenabweichung Δunetz ermittelt, die einer AblaufSteuereinrichtung 70 zugeführt wird. Übersteigt diese ermittelte Amplitudenabweichung Δunetz einen vorbestimmten Wert, schaltet die AblaufSteuereinrichtung 70 von Normalbetrieb N auf Pufferbetrieb P um. Aufgrund einer positiven Feststellung wird mit einem Ausgangssignal in den Pufferbetrieb P gewechselt. D.h., alle Umschalter 80, 82 und 84 werden in die Stellung P geschaltet und alle mit P gekennzeichneten Regler werden frei gegeben.
Damit Schwankungen des Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß nicht die Projektion des Netzstrom-Istraumzeigers _ inelzmeß auf den Netzspannungs-Istraumzeiger nelzmeß beeinflussen, wird der
Phasenwinkel γnetz des Netzspannungs-Istraumzeigers umtzmeß mit- tels eines Vektorregelkreises 72 geglättet. Dieser zweite Vektorregelkreis 72 weist ebenfalls einen Regler 74, einen Integrator 76, einen Vergleicher und einen Addierer 78 auf. An einem Eingang dieses Addierers 78 steht der Nennwert fnenn der Netzfrequenz fN an.
Zu diesen mit P gekennzeichneten Regler gehören ein Regler 86 eines Spannungsregelkreises 88 und ein Regler 90 eines Pha- senwinkelregelkreises 92. Der Spannungsregelkreis 88 weist neben dem Regler 86 noch einen Vergleicher 94 auf, an dessem invertierenden Eingang die Amplitude uc des Kondensatorspan- nungs-Istraumzeigers Cmeß und an dessem nichtinvertierenden
Eingang ein vorbestimmter Amplitudenwert, beispielsweise der Nennwert uNenn der Netzamplitude, anstehen. Der Phasenwinkel- regelkreis 92 weist ebenfalls einen Vergleicher 96 auf, an dessem invertierenden Eingang der geglättete Phasenwinkel γc des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß und an dessem nichtinvertierenden Eingang der geglättete Phasenwinkel γnetz des Netzspannungs-Istraumzeigers umtzmeß anstehen. Die mittels der Vergleicher 94 und 96 ermittelten Abweichungen Δuc und Δγ werden nicht nur den jeweiligen nachgeschalteten Reglern 86 und 90 zugeführt, sondern ebenfalls der Ablaufsteuereinrich- tung 70, die diese Werte auswertet. Damit die Spannungs- und Phasenwinkelregelung möglichst schnell einschwingt, werden die Regler 86 und 90 vorgesteuert. Dazu weisen diese Regler 86 und 90 jeweils eine Additionsstelle 98 bzw. 100 auf. Der Vorsteuerwert für den Spannungsregler 86 ist ein zu erwarten- der Verlustleistungswert PpUff vor des Matrixumrichters 2. Ausgangsseitig ist diese Additionsstelle 98 mit einem Dividierer 102 verbunden, der ausgangsseitig mit einem Eingang des Umschalters 80 verknüpft ist. Dieser Dividierer dient lediglich zur Linearisierung der Regelstrecke und zur Vorzeichenumkehr bei Drehrichtungsumkehr. Am Nennereingang steht der gemessene Drehzahl-Istwert nmeß an.
Der zweite Eingang dieses Umschalters 80 ist mit dem Ausgang des Drehzahlreglers 24 verbunden. Ausgangsseitig ist dieser Umschalter 80 mit einem Stelleingang der Regeleinheit 18 ver- bunden, die einen Motorspannungs-Sollraumzeiger umotor generiert, aus dem anschließend von der Steuereinheit 20 in Abhängigkeit der polaren Komponenten uc und γc des Kondensa- torspannungs-Istraumzeigers uCmeß und einer Stellgröße für den Leistungsfaktor Steuersignale Sv für die abschaltbaren Halbleiterschalter des Matrixumrichters 2 generiert werden.
Die Stellgröße für den Leistungsfaktor wird während des Pufferbetriebes P nicht mehr mittels des Blindstromregelkreises 30 generiert, sondern mittels des Phasenregelkreises 92. Dieser Phasenregelkreis 92 weist zwischen dem eingangsseitigen Vergleicher 96 und dem Regler 90 den Umschalter 82 auf, mittels dessen eine ermittelte Phasenwinkelabweichung Δγ oder ein Phasenwinkel γc des ermittelten Kondensatorspannungs-Ist- raumzeigers Cmeß auf den Reglereingang gegeben werden kann.
Die Ausgänge des Blindstromreglers 38 und des vorgesteuerten Phasenwinkelreglers 90 sind jeweils mit einem Eingang des Um- Schalters 84 verbunden, der ausgangsseitig mit einem Eingang der Steuereinheit 20 für die Stellgröße für den Leistungsfaktor verknüpft ist. Während des Pufferbetriebes P wird der
Phasenwinkel γc des ermittelten Kondensatorspannungs-Istraum- zeigers Cmeß geregelt. D.h., der Phasenwinkel γc des Konden- satorspannungs-Istraumzeigers uCmeß wird so geregelt, dass dieser sich dem Nennwert fnenn der Netzfrequenz fN entsprechend weiter verändert (umlaufender Zeiger) . Der Vorsteuerwert des Phasenwinkelreglers 90 ist ein zu erwartender Blind- ström, der vom Wert der Kommutierungskondensatoren Cl, C2 und
C3, vom Wert der Amplitude uNenn des geregelten Kondensator- spannungs-Istraumzeigers uCmeß und von der Netzkreisfrequenz ωN abhängig ist.
Somit wird während des Pufferbetriebes P der Kondensatorspan- nungs-Istraumzeiger Cmeß auf einen kurz vor dem Netzausfall ermittelten Netzspannungs-Istraumzeiger mtzmeß geregelt, der mit dem Nennwert der Netzfrequenz weitergedreht wird. Die Zeitspanne für die Überbrückung eines Netzausfalls hängt von der Schwungmasse des Antriebs ab. Kommt der Antrieb zum Stehen, weil die gesamte kinetische Energie aufgebraucht ist, bricht die Kondensatorspannung uCmeß zusammen, wodurch sich der Antrieb mit Störung "Netzspannungsausfall" abschaltet.
Während des Pufferbetriebs P wird das Netz 12 auf Wiederkehr der Netzspannung überwacht. Dies wird von der AblaufSteuereinrichtung 70 in Abhängigkeit der ermittelten Amplitudenabweichung Δunetz der Netzspannung durchgeführt. Unterschreitet diese Amplitudenabweichung Δunetz einen vorbestimmten Wert, so ist dies das Zeichen für die Wiederkehr der Netzspannung. Sobald dies erkannt worden ist, steuert die AblaufSteuereinrichtung 70 die Umschalter 80, 82 und 84 so, dass diese in die Stellung S für Synchronisierbetrieb S gelangen. Außerdem werden alle mit S gekennzeichneten Regler frei gegeben. Durch diese Schalthandlungen wird vom Pufferbetrieb P in den Synchronisierbetrieb S gewechselt. Der Unterschied des Synchronisierbetriebs S zum Pufferbetrieb P besteht darin, dass im Phasenregelkreis 92 nun eine ermittelte Phasenwinkelabweichung Δγ zwischen dem Phasenwinkel γnetz des Netzspannungs-Istraumzeigers u zmeß und dem Phasen- winkel γc des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers Cmeß verwendet wird. Die Amplitude uc und der Phasenwinkel γc des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß werden jetzt so geregelt, dass dieser Kondensatorspannungs-Istraumzeiger uCmeß mit dem Netzspannungs-Istraumzeigers unetzme zur Deckung kommt. Das Erreichen dieses Ziels ist daran erkennbar, dass die ermittelten Amplitudenabweichung Δuc und Phasenwinkelabweichung Δγ zu Null werden. Sobald dies von der AblaufSteuereinrichtung 70 ermittelt worden ist, werden die Schalter SI, S2 und S3 der Schaltereinheit 10 wieder geschlossen und die Steuer- und Regeleinrichtung 4 wechselt wieder in den Normalbetrieb. Das nachfolgende Beschleunigen auf den ursprünglichen Drehzahl-Sollwert n* kann man weich gestalten, indem die Vorgabe des Drehzahl-Sollwertes n* über einen nicht näher dargestellten Hochlaufgeber geschieht. Dabei wird der Hoch- laufgeber beim Wechsel in den Normalbetrieb auf den augenblicklichen Drehzahl-Istwert nmeß gesetzt.
In der FIG 3 ist ein Signalflussplan einer vorteilhaften Regelung für einen Einzelantrieb nach FIG 1 näher dargestellt. Diese vorteilhafte Regelung unterscheidet sich vom Signalflussplan der Regelung nach FIG 2 dadurch, dass anstelle einer Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers _ imtzmeß mit nachgeschaltetem Blindstromregelkreis 30 Vorsteuerwerte für den Leistungsfaktor und für die Frequenz der Kondensatorspannung für die einzelnen Betriebsarten der Steuer- und Regeleinrichtung 4 des Matrixumrichters 2 verwendet werden. Die Vorsteuerwerte für den Leistungsfaktor werden mittels eines Umschalters 104 dem entsprechenden Eingang der Steuereinheit 20 zugeführt. Die Vorsteuerwerte für die Fre- quenz der Kondensatorspannung werden mittels eines Umschalters 106 auf einen Eingang des Vergleichers 60 des Vektorregelkreises 54 für die Glättung des Phasenwinkels γc des er- mittelten Kondensatorspannungs-Istraumzeigers Cmeß gegeben.
Dieser Darstellung kann entnommen werden, dass die Stellgröße "cosΦ" abhängig vom Betriebszustand gesteuert vorgegeben wird. Die Frequenz des Phasenwinkels γc des Kondensatorspan- nungs-Istraumzeigers uCmeß stellt sich im Pufferbetrieb und während der Synchronisierung frei ein. Die Vorsteuerwerte fpuffer fsynchron und fnenn für den Pufferbetrieb P, den Synchronisierbetrieb S und den Normalbetrieb N dienen einzig der Vorsteuerung des Vektorphasenregelkreises 54 zur Glättung des Phasenwinkels γc des ermittelten Kondensatorspannungs-
Istraumzeigers uCmeß . Nach Wiederkehr der Netzspannung erfolgt der Übergang in den Normalbetrieb N, in dem die schnellen Schalter Sl, S2 und S3 der Schaltereinheit 10 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt zugeschaltet werden. Dieser vorbestimmte Zeitpunkt hängt von der Phasenwinkelabweichung Δγ des Konden- satorspannungs-Istraumzeigers nelzmeß vom Netzspannungs- Istraumzeigers netzmeß ab. Ein bevorzugter Zeitpunkt für die
Zuschaltung ist erreicht, wenn die Phasenwinkelabweichung Δγ annähernd Null ist. Durch die gesteuerte Vorgabe des Blind- Stromes iμ mittels des Vorsteuerwertes cosΦsynCron entsprechend einer Frequenz fsynchron lässt sich die Anforderung an die Geschwindigkeit bzw. Genauigkeit des Zuschaltens reduzieren. Die Synchronzeitpunkte zum Zuschalten der Schalter Sl, S2 und S3 treten dann allerdings seltener auf.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Regelung besteht in der einfacheren Signalverarbeitung, wodurch jedoch der Synchronisierbetrieb S länger wird und das Zuschalten mit stärkeren Ausgleichsvorgängen behaftet ist. Der Pufferwert fPUffer kann neben einem Wert um den Nennwert fnenn der Netzfrequenz fN auch Null sein. In diesem Fall ist der Kondensatorspannungs- Istraumzeiger uCmeß ein stehender Zeiger (Gleichspannung) und es können keine anderen Verbraucher mitversorgt werden, die auf Netzfrequenzspannungen angewiesen sind.
Gemäß dem Blockschaltbild eines Mehrachsenantriebs nach FIG 4 weist dieser pro Achse einen Motor 16ι, 162, I63, einen Ma- trixumrichter 2ι, 22, 23 und eine Kommutierungskondensatorschaltung 61, 62, 63 auf. Die Kommutierungskondensatorschaltungen 6χ, 62 und 63 sind eingangsseitig mit einer Drosselschaltung 8 verbunden, die eingangsseitig mittels einer Schaltereinheit 10 mit einem speisenden Netz 12 verbindbar ist. Jede Kommutierungskondensatorschaltung 61, 62 und 63 weist drei Kondensatoren Cl, C2 und C3 auf, die hier in Dreieck geschaltet sind. Diese Kommutierungskondensatoren Cl, C2 und C3 können auch in Stern geschaltet werden. Die Drossel- Schaltung 8 weist drei Induktivitäten Ll, L2 und L3 auf, die jeweils in einer Zuleitung angeordnet sind. Die Schaltereinheit 10 weist drei Schalter Sl, S2 und S3 auf, mit denen die Zuleitungen vom speisenden Netz 12 zur Drosselschaltung 8 aufgetrennt werden können. Eine Spannungsversorgungseinheit 14 ist eingansseitig mit den Ausgängen der Schaltereinheit 10 und ausgangsseitig mit einem Versorgungsspannungsanschluss der Steuer- und Regeleinheit 4' verbunden. Dieser Steuer- und Regeleinrichtung 4' sind wenigstens zwei gemessene Netzspannungen uN3, uN2, zwei gemessene Kondensatorspannungen uC3, uc2 und zwei gemessene Netzströme iN3, iN2 zugeführt. Diese Steuer- und Regeleinrichtung 4' ist ausgangsseitig mit den Steuereingängen der Schaltereinheit 10 und jeweils mit einer umrichternahen Steuer- und Regeleinrichtung 4"χ, 4"2 und 4" verbunden. Jeder dieser Steuer- und Regeleinrichtungen 4"ι, 4"2 und 4"3 ist ein gemessener Drehzahl-Istwert nmeß zugeführt. Von der Steuer- und Regeleinrichtung 4' werden generierte Signale n*ι, n* 2, n* 3 und Kμ den umrichternahen Steuer- und Regeleinrichtungen 4 "l r 4"2 und 4"3 zugeführt.
In der FIG 5 ist ein Signalflussplan des Mehrachsenantriebs nach FIG 4 näher dargestellt. Dieser Signalflussplan unterscheidet sich vom Signalflussplan gemäß FIG 2 dadurch, dass die Steuer- und Regeleinheit 4 nun in eine zentrale Einheit 4' und mehrere Umrichtereinheiten 4"ι, 4"2 und 4"3 unterteilt ist. Die zentrale Einheit 4' umfasst die Einrichtungen 28, 32 und 48 zum Erfassen eines Netzstrom-, eines Netzspannungsund eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers _ imzmeß , unet∑meß und uCmeß . Außerdem gehören zu dieser zentralen Einheit 4 ' der
Blindstromregelkreis 30, die Vektorphasenregelkreise 54 und 72, die Netzspannungsüberwachungseinrichtung 62, die Ablaufsteuereinrichtung 70, der Phasenwinkelregelkreis 92 und ein abgewandelter Spannungsregelkreis 88. Diese Bausteine sind bereits ausführlich beschrieben, so dass an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet werden kann. Die Stellgröße für den Leistungsfaktor ist hier mit Kμ bezeichnet worden. Außerdem wird diese Stellgröße auch nicht direkt einem Eingang einer Steuereinheit 20χ, 202 bzw. 203 zugeführt, jeder Antrieb bewertet diese Stellgröße Kμ mit einem individuellen Bezugswert iBezugf der jeweils von einer Regeleinheit 18ι, 182 bzw. 183 der Umrichtereinheiten 4"χ, 4"2 bzw. 4"3 generiert wird. Der individuelle Bezugswert ißezug kann beispielsweise vom Netzstrom, vom Leerlaufström des Motors, vom Mindeststrom bei Feldschwächung oder von der augenblicklichen Blindstromleistungsfähigkeit des zugehörigen Antriebs abgeleitet sein. Es ist auch möglich, dass die individuellen Bezugswerte ißezug entsprechend einer gewünschten Aufteilung der Beiträge der Antriebe zum Gesamtblindstrom eingestellt werden. Durch diese individuelle Bearbeitung der Stellgröße Kμ kann damit die Steuerung der eingangsseitigen Blindströme für alle Antriebe des Mehrachsenantriebs mit dem gleichen Signal Kμ erfolgen.
Der Spannungsregelkreis 88 ist eine Einrichtung 108 zur Achskoordinierung nachgeschaltet, wobei zwischen dem Spannungsregelkreis 88 und der Einrichtung 108 zur Achskoordinierung eine Einrichtung 110 zur Bewertung eines Hauptgeschwindigkeits- Sollwertes n*** geschaltet ist. Mittels des Hauptgeschwindig- keits-Sollwertes n*** wird die Geschwindigkeit des gesamten
Mehrachsenantriebs gesteuert. Die Einrichtung 110 zur Bewertung weist einen Multiplizierer 112 und einen Subtrahierer 114 auf. An einem Eingang des Multiplizierers 112 steht der Hauptgeschwindigkeits-Sollwert n*** und am zweiten Eingang ein Gewichtungsfaktor Ku, der am Ausgang des Subtrahierers 114 ansteht, an. Ausgangsseitig ist dieser Multiplizierer 112 mit einem Eingang der Einrichtung 108 zur Achskoordinierung ver- knüpft. Am ersten Eingang des Subtrahierers 114 steht eine Konstante mit dem Wert Eins und sein zweiter Eingang ist mit dem Ausgang des Spannungsregelkreises 88 verknüpft. Da dieser Spannungsregelkreis 88 nur während des Puffer- und Synchroni- sierbetriebs aktiv ist, wird im Normalbetrieb der Hauptge- schwindigkeits-Sollwert n*** unverändert an die Einrichtung 108 zur Achskoordinierung weitergeleitet. Im Pufferbetrieb und während der Synchronisierung wird der Hauptgeschwindig- keits-Sollwert n*** so reduziert, dass die Gesamteinspeise- leistung alle Antriebe in der Summe gleich Null ist, d.h., der Gesamtleistungsbedarf aus der kinetischen Energie des Mehrachsenantriebs gedeckt wird.
Bei der Einrichtung 108 zur Achskoordinierung kann es sich um eine Gleichlaufregeleinrichtung, ein elektronisches Getriebe, elektronische Kurvenscheiben oder ähnliche Verkopplungen handeln, wie sie bei mehrachsigen Antriebskonfigurationen üblich sind. Durch eine komplexere Gestaltung der Einrichtung 108 zur Achskoordinierung kann der Mehrachsenantrieb natürlich auch so gesteuert werden, dass im Pufferbetrieb und während der Synchronisierung einzelne Antriebe oder Antriebsgruppen mit unveränderter Geschwindigkeit weiterlaufen und nur einige Antriebe dieses Mehrachsenantriebs die Funktion "kinetische Pufferung" übernehmen. Analog zur Vorgehensweise bei einem Einzelantrieb lässt sich auch hier mit Hilfe eines Hochlaufgebers nach Netzwiederkehr und erfolgter Synchronisierung eine langsame Rückkehr zur ursprünglichen Hauptgeschwindigkeit erreichen. Die genannten übrigen Einheiten dieser zentralen Einheit 4 ' arbeiten weitgehend wie bei einem Einzelantrieb gemäß der FIG 2. Diese zentrale Einheit 4' kann in einer getrennten Signalverarbeitung realisiert werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, diese zentrale Einheit 4' einem Antrieb, beispielsweise einem Master-Antrieb, des Mehrachsenantriebs zuzuordnen. Diese zentrale Einheit 4' kann auch auf die Signalverarbeitung der einzelnen Antriebe verteilt werden. Da die Steuereinheit 20 des Matrixumrichters 2 die geglätteten Komponenten des ermittelten Kondensatorspannungs-Istraum- zeigers Cmeß (Eingangsspannungs-Istraumzeiger) benötigt, werden jedem Antrieb des in FIG 4 dargestellten Mehrachsenan- triebs die gemessenen Kondensatorspannungen uCι, uc2 und uc3 zugeführt. Gemäß dem zugehörigen Signalflussplan der FIG 5 weist jede Umrichtereinheit 4"ι, 4"2 bzw. 4"3 eine Einrichtung
48ι, 482 bzw. 483 zum Erfassen eines Kondensatorspannungs- Istraumzeigers Cmeß auf. Da die Komponenten dieses ermittel- ten Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß geglättet werden müssen, sind ein Glättungsfilter 46ι, 462 bzw. 463 und ein Vektorphasenregelkreis 54ι, 542 bzw. 543 der Einrichtung 48ι, 482 bzw. 483 nachgeschaltet. Ausgangsseitig sind das Glättungsfilter 46ι, 462 bzw. 463 und der Vektorphasenregelkreis 54χ, 542 bzw. 543 jeweils mit einem korrespondierenden Eingang der Steuereinheit 20ι, 202 bzw. 203 verknüpft. Die Umrichtereinheit 4"ι, 4"2 bzw. 4"3 weist außerdem zur individuellen Bewertung des Stellsignals Kμ für den Leistungsfaktor einen Multiplizierer 116ι, 116 bzw. 1163 auf. An einem Eingang die- se Multiplizierers 116ι, 1162 bzw. 1163 steht das generierte Stellsignal Kμ und am anderen Eingang steht ein Bezugsstromwert iBezugi/ ißezug2 bzw. iBezug3 an. Ausgangsseitig ist der Multiplizierer llβi, 1162 bzw. 116 mit dem Eingang für die Stellgröße des Leistungsfaktors der Steuereinheit 20ι, 202 bzw. 2O3 verbunden.
In der FIG 6 ist eine Variante des Mehrachsenantriebs nach FIG 4 dargestellt. Diese Variante des Mehrachsenantriebs unterscheidet sich vom Mehrachsenantrieb nach FIG 4 dadurch, dass jedem Antrieb eine Drosseleinheit 81, 82 bzw. 83 zugeordnet ist. Dadurch weist jeder Antrieb des Mehrachsenantriebs ein eigenes Netzfilter auf, das jeweils von den Induktivitäten Ll, L2 und L3 der Drosseleinheit 81, 82 bzw. 83 und den Kondensatoren Cl, C2 und C3 der Kommutierungskondensator- Schaltung 6X, 62 bzw. 63 gebildet wird. Dadurch wird nun von der zentralen Einheit 4 ' die Spannungen vor und nach der Schalteinheit 10 ausgewertet. Somit besteht der Mehrachsenan- trieb aus mehreren Einzelantrieben gemäß FIG 1, die eingangsseitig elektrisch parallel geschaltet sind.
In der FIG 7 ist ein zugehöriger Signalflussplan zum Mehrach- senantrieb gemäß FIG 6 näher dargestellt. Dieser Signalflussplan unterscheidet sich vom Signalflussplan gemäß FIG 5 dadurch, dass anstelle einer Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers i_netzmeß mit nachgeschalteten Blindstromregelkreis 30 ein Vorsteuerwert i* μ normal vorgesehen ist. Dadurch weist nun jede Umrichtereinheit 4"ι, 4"2 bzw. 4"3 einen Blindstromregelkreis 30χ, 3Ü2 bzw. 303 auf. Ausgangsseitig ist jeder Blindstromregelkreis 30ι, 302 bzw. 303 der Umrichtereinheiten 4"ι, 4"2 bzw. 4"3 mit einem Eingang für die Stellgröße des Leistungsfaktors der Steuereinheit 20ι, 202 bzw. 2O3 verknüpft. Dadurch regelt im Normalbetrieb jeder Antrieb des Mehrachsenantriebs einen eigenen Blindstrom. Diese Stelleingänge werden im Pufferbetrieb und bei der Synchronisation zur Regelung des Winkels der Sammelschienenspannung benutzt.
Bei einem Mehrachsenantrieb müssen nicht alle Einzelantriebe vom Typ Matrixumrichter sein. Die Kombination mit anderen Umrichtern, z.B. konventionellen Zwischenkreisumrichtern, ist möglich. Falls ein solcher Umrichter mit einer selbstgeführten Einspeiseschaltung, auch als Aktiv Front End (AFE) be- zeichnet, ausgeführt wird, kann er sich vorteilhaft an der
Lieferung der Kondensatorblindleistung beteiligen oder diese ganz übernehmen. Dies liegt nahe, da ein Umrichter mit Aktiv Front End im Gegensatz zu einem Matrixumrichter - bei einem schwach belasteten Antrieb - auf der Einspeiseseite den Maxi- malstrom des Umrichters als Blindstrom liefern kann. Diese Variante funktioniert auch, wenn der Spannungszwischenkrei- sumrichter keinen Wechselrichter aufweist, d.h., dass der Aktiv Front End-Stromrichter nur einen Kondensator speist. In diesem Fall ist der AFE-Stromrichter ein reiner Blindleis- tungslieferant .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei einem Matrixumrichter (2) mit mehreren netzseitigen Kom- mutierungskondensatoren (C1,C2,C3) und einer netzseitigen
Schaltereinheit (10) , wobei bei einem ermittelten Netzausfall der Matrixumrichter (2) umgehend vom speisenden Netz (12) getrennt wird und dieser während des Pufferbetriebes derart geregelt wird, dass sich an seinem Eingang ein Kondensatorspan- nungs-Istraumzeiger ( uCmeß ) einstellt, dessen Amplitude (uc) und Phasenwinkel (γc) jeweils einen vorbestimmten Wert einnimmt, wobei bei Wiederkehr der Netzspannung dieser eingestellte Kondensatorspannungs-Istraumzeiger (uCmeß) während eines Synchronisierbetriebs (P) einem ermittelten Netzspan- nungs-Istraumzeiger (unetzmeß) solange nachgeführt wird, bis beide zusammenfallen und wobei dann der Matrixumrichter (2) wieder an das speisende Netz (12) geschaltet wird.
2. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jeweils eine Blindstromstellgröße für einen Normal-, Puffer- und Synchronisierbetrieb (N,P,S) des Matrixumrichters (2) fest vorgegeben wird.
3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei bei mehreren Matrixumrichtern (2) kurzzeitige Netzausfälle überbrückt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine erzeugte Blindstromstellgröße jeweils mit einem individuellen Bezugswert (ißezugi, iBezug2r ißezug3) eines Antriebs be- wertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass aus gemessenen Kondensatorspannungen (uCι, uC2 / uC3) zwei orthogonale Spannungskomponenten (uCC UCß) eines Kondensatorspannungs- Istraumzeigers {uCmeß) gebildet werden, aus denen mit Hilfe eines geglätteten Phasenwinkels (γc) dieses Kondensatorspan- nungs-Istraumzeigers { Cmeß) dessen Amplitude (uc) und Phasenwinkel (γc) bestimmt werden, wobei dieser Phasenwinkel (γc) in Abhängigkeit eines Nennwertes (fnenn) der Netzfrequenz (fN) geglättet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass aus gemessenen Phasenspannungen (uNχ, uN2, uN3) zwei orthogonale Spannungskomponenten (uNα,uNß) eines Netzspannungs-Istraumzeigers (Umtzmeß ) gebildet werden, die anschließend in polare Komponenten ( ,ιetzmeß /Ynetz) gewandelt werden, dass die Amplitude
(Unetz meß) des zu ermittelten Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß ) mit einem Amplituden-Sollwert (uNenn) verglichen wird und eine festgestellte Abweichung (Δunetz) für die Umschaltung von Normal- in Pufferbetrieb (N,P) und von Puffer- in Synchronisierbetrieb (P,S) ausgewertet wird, und dass der Phasenwinkel (γnetz) des ermittelten Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) mittels eines Nennwertes (fnenn) der Netzfrequenz (fN) geglättet wird.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Abhängigkeit einer ermittelten Amplitudenabweichung (Δuc) der Amplitude (uc) des Kondensatorsspannungs-Istraumzeigers ( uCmeß ) zur Amplitude (uNenn) des Netzspannungs-Istraumzeigers {unej2meß ) und in Abhängigkeit einer ermittelten Phasenwinkelabweichung (Δγ) des Phasenwinkels (γc) des Kondensatorspannungs-Istraum- zeigers ( Cmeß) zum Phasenwinkel (γnetz) des Netzspannungs-Istraumzeigers [unetzmeß ) der Matrixumrichter (2) wieder an das speisende Netz (12) geschaltet wird und vom Synchronisierbetrieb (S) in den Normalbetrieb (N) gewechselt wird.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass bei der Regelung des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers {uCmeß) auf einen Kondensatorspannungs-Sollraumzeiger Vorsteuerwerte für dessen Komponenten verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Vorsteuerwert für die Amplitudenregelung ein Wert einer zu erwartenden Verlustleistung (Ppuff vor) des Matrixumrichters (2) ist .
9. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Vorsteuerwert für die Phasenwinkelregelung ein Wert eines zu erwartenden Blindstromes eines Netzstrom-Raumzeigers (inelzmeß ) ist.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass vom Synchronisierbetrieb (S) in den Normalbetrieb (N) bzw. vom Normalbetrieb (N) in den Pufferbetrieb (P) umgeschaltet wird, sobald die Amplitude (unetz meß) des erfassten Netzspannungs- Istraumzeigers {unetzmeß ) eine untere bzw. eine obere Toleranzgrenze überschreitet.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Schaltereinheit (10) , d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, dass diese Vorrichtung jeweils eine Einrichtung (48,32) zur Erfassung eines Kondensator- spannungs- und eines Netzspannungs-Istraumzeigers
( Hcmeß r Umtzmeß ) ' einen Spannungsregelkreis (88), einen Phasen- Winkelregelkreis (90), eine Netzspannungsüberwachungseinrich- tung (62), mehrere Umschalter (80,82,84) und eine Ablaufsteuereinrichtung (70) aufweist, dass der Spannungsregelkreis (88) eingangsseitig jeweils mit einem Amplitudenausgang der Einrichtung (48,32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Istraumzeigers {uCmeß , Umtzmeß verbunden ist, der ausgangsseitig mittels eines ersten Umschalters (80) mit einem Sollwert-Eingang der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) verbindbar ist, dass der Phasen- winkelregelkreis (90) eingangsseitig jeweils mit einem Pha- senwinkelausgang der Einrichtungen (48,32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Istraum- zeigers ( Cmeß , M.nelzmeß ) verbunden ist, der ausgangsseitig mittels eines zweiten Umschalters (84) mit einem Steuereingang der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) verbindbar ist, dass die Ausgänge der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers { uCmeß ) mit zwei weiteren Steuereingängen der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) verknüpft sind, und dass die AblaufSteuereinrichtung (70) eingangsseitig jeweils mit einem Regeldifferenz-Ausgang des Spannungsregelkreises (88), des Phasenregelkreises (90) und der Netzspannungsüber- wachungseinrichtung (62), die eingangsseitig mit einem Amplitudenausgang der Einrichtung (32) zur Bestimmung eines Netzspannungs-Istraumzeigers ( mtzmeß ) verknüpft ist, und ausgangsseitig jeweils mit einem Steuereingang der Umschalter (80,82,84) und mit einem Steuereingang der Schaltereinheit (10) verbunden ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Schaltereinheit (10) , d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, dass die Vorrichtung jeweils eine Einrichtung (48,32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungsund Netzspannungs-Istraumzeigers ( uCmeß , unetzmeß ) , einen Spannungsregelkreis (88), eine AblaufSteuereinrichtung (70) und mehrere Umschalter (80,104,106) aufweist, dass der Spannungsregelkreis (88) eingangsseitig jeweils mit einem Amplituden- ausgang der Einrichtung (48,32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Istraumzeigers ( Ucmeß ' Unetzmeß ) verbunden ist und ausgangsseitig mittels eines ersten Umschalters (80) mit einem Sollwert-Eingang der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) ver- bindbar ist, dass an den Eingängen des zweiten bzw. dritten Umschalters (104,106) jeweils ein Steuerwert ansteht, dass die Phasenwinkelausgänge der Einrichtungen (32,48) jeweils mit einem Eingang eines Phasenwinkel-Vergleichers (96) verknüpft ist, dessen Ausgang mit einem Steuereingang der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) und der AblaufSteuereinrichtung (70) verbunden ist, dass der Ausgang des dritten Umschalters (104), der Amplituden-Ausgang und der
Phasenwinkel-Ausgang der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) jeweils mit weiteren Steuereingängen der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) verbunden sind, dass dem Amplituden- Ausgang der Einrichtung (32) zur Erfassung eines Netzspannungs-Istraumzeigers {une,zmeß eine Netzspannungsüberwachungs- einrichtung (72) nachgeschaltet ist, und dass die AblaufSteuereinrichtung (70) eingangsseitig jeweils mit einem Regeldifferenz-Ausgang des Spannungsregelkreises (88) und der Netz- spannungsüberwachungseinrichtung (72) und dem Phasenwinkel- vergleicher (96) und ausgangsseitig jeweils mit einem Steuereingang der Umschalter (80,104,106) und mit einem Steuereingang der Schaltereinheit (10) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass den Phasenausgängen der Einrichtung (48,32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Istraumzeigers ( cmeß ι Unetmeß ) jeweils ein Vektorphasenregelkreis (54,72) nach- geschaltet sind,
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ausgang des zweiten Umschalters (106) mit einem Frequenzeingang des Vektorphasenregelkreises (54) verbunden ist, der dem Phasenausgang der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kondensa- torspannungs-Istraumzeigers {uCmeß) verknüpft ist,
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einrichtungen (48,28) zur Erfassung des Kondensatorspannungsund des Netzstrom-Istraumzeigers { uCmeß ,_ imlzmeß ) jeweils einen Koordinatenwandler (50,34) mit nachgeschaltetem Vektordreher (52,36) aufweisen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einrichtung (32) zur Erfassung des Netzspannungs-Istraumzeigers { nelzm ) zwei in Reihe geschaltete Koordinatenwandler (42,44) aufweist .
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass dem Amplituden-Ausgang der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kon- densatorspannungs-Istraumzeigers ( Cmeß ) eine Glättungsein- richtung (46) nachgeschaltet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass dem Phasenwinkel-Ausgang der Einrichtung (32) zur Erfassung eines Netzspannungs-Istraumzeigers {H„etzmeß ) ein Vektorphasenregel- kreis (72) nachgeschaltet ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Spannungsregelkreis (88) einen Vergleicher (94) mit nachgeschal- teten Regler (86) aufweist.'
20. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Pha- senwinkelregelkreis (92) eingangsseitig einen Vergleicher (96) mit nachgeschalteten Regler (90) aufweist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Pha- senwinkelregelkreis (92) eingangsseitig einen Vergleicher (96) und ausgangsseitig einen Regler (90) aufweist, der eingangsseitig mittels eines dritten Umschalters (82) mit dem Ausgang des Vergleichers (96) verknüpft ist, dessen zweiter Eingang mit einem Phasenwinkel-Ausgang der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers {Ucmeß) verbunden ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vorrichtung Bestandteil der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vorrichtung ein Signalprozessor ist.
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