WO2017144697A1 - Verfahren zum betreiben eines drehstrommotors an einem gleichspannungsnetz, wechselrichter für das verfahren, system mit wechselrichter und verfahren zur bereitstellung eines drehstrommotors - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines drehstrommotors an einem gleichspannungsnetz, wechselrichter für das verfahren, system mit wechselrichter und verfahren zur bereitstellung eines drehstrommotors Download PDF

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WO2017144697A1
WO2017144697A1 PCT/EP2017/054392 EP2017054392W WO2017144697A1 WO 2017144697 A1 WO2017144697 A1 WO 2017144697A1 EP 2017054392 W EP2017054392 W EP 2017054392W WO 2017144697 A1 WO2017144697 A1 WO 2017144697A1
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WO
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phase
phase motor
inverter
pulse
motor
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PCT/EP2017/054392
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Karl-Peter Simon
Guido Eiffler
Walter Trümpler
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Bauer Gear Motor GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/047—V/F converter, wherein the voltage is controlled proportionally with the frequency

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a three-phase motor, in particular for providing a working torque by a three-phase motor, to a DC voltage network. Furthermore, the invention relates to an inverter for carrying out the method and a system with such an inverter, a three-phase motor and an optional gearbox. Likewise, the invention relates to a system with such an inverter and a plurality of three-phase motors and gearboxes.
  • FIG. 4 An exemplary simplified inverter circuit of the prior art is shown in FIG. 4 shown.
  • Inverter applications can be found, for example, in uninterruptible power supply (UPS) devices which are used to ensure the supply of critical electrical loads in the event of disturbances in the power grid.
  • UPS uninterruptible power supply
  • Photovoltaic plants also regularly have inverters to convert a DC voltage produced by solar panels into an AC voltage.
  • Three-phase motors are also well known in the art. Three-phase motors can be divided into asynchronous motors and synchronous motors.
  • a three-phase asynchronous motor consists of a housing, a stator and a rotor. Asynchronous motors have been used for many different purposes for many years. Various advantages mean that this often recourse to three-phase induction motors with squirrel cage.
  • the stator essentially comprises a stator core and stator windings.
  • the stator core has a plurality of grooves, within which the stator windings are arranged.
  • the stator windings can be divided into a first, a second and a third winding strand.
  • Synchronous motors have a fundamentally comparable construction in the stator as the asynchronous motors.
  • An operation of a three-phase motor to a three-phase current generated by a frequency converter is advantageous because, for example, far-reaching possibilities of control and / or regulation of speed and working torque can be used.
  • a converter feed in addition to the described advantages, also has disadvantages compared with a truly sinusoidal mains supply, since a converter only regularly imitates a sine voltage through a pulse width modulation. It comes to higher losses and a greater heat development in the stator windings and in the rotor. Pendulum moments may be detrimental to the workload.
  • Induced shaft voltages and bearing currents additionally burden the inverter-fed three-phase motor. Induced voltage peaks load a winding insulation of the stator windings.
  • DC voltage networks are becoming increasingly widespread.
  • inverters with a central DC power supply are used to make the motion control of machines and plants with servo drives flexible.
  • central DC power supply concepts at the factory level, as shown in FIG. 8 schematically illustrated to optimize the increasing use of frequency converters. This also makes it possible to easily stabilize decentralized factory networks with energy storage devices.
  • mobile machines, vehicles and harvesters are equipped with electric drives.
  • DC power grids are built. Above all, increasing political regulation is leading to a need for energy-efficient drive systems. Many of these applications would benefit from the operation of three-phase motors according to the invention.
  • a three-phase motor which can be operated on a DC power supply to provide a working torque with a working speed. It is a further object of the invention to provide an inverter which is operated on a DC voltage network and makes it possible to operate a three-phase motor on this DC voltage network.
  • a further object of the invention is to improve the energy efficiency of a system comprising an inverter, one or more three-phase motors and associated optional transmissions, and to minimize disadvantages of existing methods for operating a three-phase motor, in particular on a DC voltage network.
  • a method includes generating a three-phase system.
  • the three-phase system consists of a first pulsed voltage URO between a first connection point R and a common reference potential 0, a second pulsed voltage US0 between the reference potential 0 and a second one Connection point S and a third pulsed voltage UTO between a third connection point T and the reference potential 0.
  • the three pulsed voltages URO, USO and UTO have an identical but phase-shifted pulse pattern with rising switching edges and falling switching edges.
  • the second pulsed voltage USO is phase-shifted by 120 ° from the first pulsed voltage URO.
  • the third pulsed voltage UTO is 120 ° out of phase with the second pulsed voltage USO and 240 ° out of phase with the first pulsed voltage URO.
  • a phase shift of 1 ° denotes a temporal offset of the pulse patterns of a three-hundred sixtieth of a common basic period duration TG. In other words, 360 ° corresponds to a full period with the basic period duration TG.
  • the inverter has three current paths, wherein the first current path has the first connection point R, the second current path has the second connection point S and the third current path has the third connection point T.
  • Each winding strand of the three-phase motor has a first and a second strand end. If a three-phase motor is connected in a star connection to the inverter, then the first strand ends of the winding strands of the stator are connected to one of the connection points R, S and T, while the second strand edges of the three winding strands are connected to one another in a node. If a three-phase motor is connected in delta connection to the inverter, the first winding strand is connected at its two line ends to the first connection point R and the second connection point S, the second winding strand at its two line ends to the second connection point S and the third connection point T and third winding strand at its two strand ends with the third connection point T and the first connection point R.
  • the chained output voltages USR, UST and UTR also have the common fundamental period TG, in which a pulse pattern in a first half-wave and a second half-wave of the output voltages with a duration of each TG / 2 repeated with an equal amplitude but changing signs.
  • the first half-wave and the second half-wave together form a fundamental wave of the output voltages USR, UST and UTR.
  • the fundamental wave is identical in all three output voltages USR, UST and UTR, but phase shifted by 120 °.
  • a reciprocal of the basic period duration TG corresponds to a fundamental frequency fG.
  • the fundamental frequency fG is higher than a standard network frequency fST.
  • the basic period duration TG is shorter than a wave period of the standard network frequency fST.
  • the fundamental frequency fG of the three-phase system which is increased in comparison with the standard network frequency fST, leads to a nominal rotational speed of the three-phase motor which is higher than a nominal rotational speed of the three-phase motor during mains operation during operation of the three-phase motor.
  • the method of operating a three-phase motor can result in higher efficiency and higher power output relative to a motor size.
  • the standard network frequency fST is 50 Hz or 60 Hz in all relevant countries of the world.
  • the fundamental frequency fG for the method according to the invention is above 60 Hz.
  • Each half wave of the fundamental wave of the output voltages URS, UST and UTR has a main pulse.
  • the reference potential is chosen such that the signs of the first half-waves differ from the signs of the second half-waves, with a half-wave form of the first and second half-waves being identical apart from it.
  • the generated three-phase system allows a method according to operating a three-phase motor to a DC network.
  • a method and a device for operating a three-phase motor in a nominal working range on a DC voltage network are provided.
  • the method and / or the device are suitable to operate three-phase motors in such applications on a direct voltage network, in which the three-phase motor was previously operated on the three-phase network with standard network frequency fST. It is a further object of the invention to provide a cost-effective and easily manageable inverter for the user to provide.
  • the three-phase motor can be an asynchronous motor or a synchronous motor.
  • the three-phase motor can also be a geared motor.
  • the fundamental frequency fG of the output voltages URS, UST and UTR can be greater than 60 Hz and a maximum of 150 Hz.
  • the efficiency of the three-phase motor can be increased in the nominal working range.
  • a frequency increase, or a resulting increase in speed can lead to greater shaft power, while losses in the engine increase only slightly.
  • the method and / or the device can reduce a material required for the production of the three-phase motor material.
  • a larger shaft power can be achieved with a comparable construction volume and the same design.
  • an engine with the same design and comparable shaft power can be produced by the speed increase with less material use.
  • the three-phase motor can be operated at the fundamental frequency fG in the range of 65 Hz to 130 Hz or in the range of 70 Hz to 100 Hz.
  • systems consisting of a three-phase motor and a transmission can be advantageously operated in an optimized speed range from 1800 1 / min to 2600 1 / min and, for example, 2000 1 / min on the motor shaft.
  • a system consisting of a four-pole three-phase motor (with the number of pole pairs 2) and a transmission can be operated in a frequency range of the fundamental frequency fG from 60 Hz to 87 Hz and for example at about 70 Hz with a higher efficiency than at a standard network frequency of, for example. 50 Hz or 60 Hz.
  • a system consisting of a six-pole three-phase motor (with the number of pole pairs 3) and a gearbox can be operated in a frequency range of the fundamental frequency fG from 90 Hz to 130 Hz and, for example, at about 100 Hz with a higher efficiency than a standard network frequency of, for example, 50 Hz or 60 Hz.
  • a pulse width of the main pulse may be more than 45 ° and in a nominal operating state at least 50 ° and advantageously at least 60 °.
  • the pulse width of a positive pulse describes the time interval between a rising switching edge and a falling switching edge; the pulse width of a negative pulse describes the time interval between a falling switching edge and a rising switching edge.
  • a large main pulse width is advantageous to provide a high average voltage amplitude.
  • the half-waves of the fundamental wave of the output voltages of URS, UST and UTR can have at least one and a maximum of seven satellite pulse pairs.
  • a satellite pair may consist of two symmetrically spaced identical satellite pulses arranged on either side of the main pulse.
  • each of the half-waves can have exactly one main pulse and an even number of satellite pulses.
  • On the left and right side of the main pulse the same number of satellites can be arranged mirror-symmetrically with respect to one another (relative to the phase position).
  • two to five satellite pulse pairs can be arranged around the main pulse.
  • the inventive arrangement of satellite pulses around the main pulse the amplitudes of harmonics can be reduced. This can have a positive effect on the load on the three-phase motor and on energy efficiency.
  • an amount of a voltage amplitude of a main or satellite pulse between its two associated switching edges should not fall by more than 15%.
  • the main or satellite pulse have only a single rising switching edge and a single falling switching edge. This aspect can positively minimize the switching losses of the inverter.
  • the pulse widths of the satellite pulses may decrease as the distance from the main pulse increases and distances between two adjacent pulses increase with increasing distance from the main pulse.
  • the main pulse would have the largest pulse width.
  • the main pulse advantageously has a pulse width which is greater than that of all satellite pulses. This aspect can reduce the severity of harmonics.
  • the switching edges of the pulsed voltages URO, USO and UTO could have a slope equal to or less than 2 kV / ⁇ . It would be advantageous if the switching edges of the pulsed voltages URO, USO and UTO would have a slope equal to or less than 1 kV / ⁇ .
  • This aspect can reduce the stress, for example, of the winding insulation caused by induced voltage spikes. Furthermore, interference emissions can be significantly reduced. The increased energy loss per switching operation can be neglected because of the low switching frequency according to the invention.
  • the pulsed voltages URO, USO and UTO could each have a maximum of 2860 switching edges per second.
  • the pulsed voltages URO, USO and UTO could each have a maximum of 2100 switching edges per second or 1820 switching edges per second. This would correspond to a maximum of 1050 pulses per second or a maximum of 910 pulses per second with a rising and a falling switching edge per pulse.
  • the pulsed voltage URO, USO and UTO can each have a minimum of 980 switching edges per second and a maximum of 1540 switching edges per second. This aspect can reduce the switching losses of the inverter and at the same time the amplitude of harmonics.
  • a time interval of at least 10 s between two adjacent (or immediately consecutive) switching edges of the pulsed voltages URO, USO and UTO could be a time interval of at least 10 s between two adjacent (or immediately consecutive) switching edges of the pulsed voltages URO, USO and UTO.
  • the method could include gently starting the three-phase motor. If the three-phase motor is an asynchronous motor, the pulse widths of the main pulse and / or the satellite pulses can be increased over a period of time tA until predetermined pulse widths are reached.
  • the three-phase motor - irrespective of whether the three-phase motor is an asynchronous motor or a synchronous motor - could be operated with a three-phase system in which, for smooth starting, the fundamental frequency fG increases from a minimum value fGmin until a predetermined fundamental nominal frequency fGnenn is reached becomes.
  • the minimum value fGmin can advantageously be 0 Hz.
  • a smooth start can reduce the load on the three-phase motor and reduce the pulse load of the DC network.
  • a stator current IS or at least one of three stator phase currents ISP could be measured in a power section of the inverter and monitored by a control section of the inverter.
  • the stator current IS essentially corresponds to the addition of the three stator phase currents ISP in the three inverter branches.
  • a lowering of the fundamental frequency fG could take place.
  • the maximum limit value Imax can be a rated motor current. This would increase the ratio of the exciter voltages URS, UST and UTR to the frequency fG. This would increase the affordable working moment.
  • the fundamental frequency fG could be increased with a correction value associated with a difference between maximum limit Imax and stator current IS. With increasing difference, the Correction value also increase. As a result, a load-dependent slip of the asynchronous motor would be compensated or at least minimized.
  • the three-phase motor can be operated in a field weakening operation.
  • the amplitude of the voltage at the connection points R, S and T can be kept constant, while the fundamental frequency fG is increased with respect to a nominal motor frequency fGnennM.
  • the power output by the three-phase motor no longer increases despite an increase in the rotational speed.
  • Such operation in the field weakening operation may be advantageous in certain applications, such as. Conveyors, shredders or drives for work spindles.
  • Working spindles can be operated without gearbox and therefore with a fundamental frequency fG also above 150 Hz.
  • a reduction in the pulse widths of the main pulse and / or the satellite pulses can be triggered.
  • a mean excitation voltage would decrease and increase the efficiency of the three-phase motor in a partial load range.
  • the current-controlled control of the three-phase motor can reduce or eliminate the slip during operation of an asynchronous motor, can protect the three-phase motor against overload and can improve the efficiency in a partial load range. Unacceptable operating conditions can be detected and a corresponding reaction to protect the three-phase motor and / or the driven machine can thus be triggered.
  • additional measured values such as, for example, a motor temperature, can be recorded and processed via interfaces of a control section of the inverter.
  • the three-phase motor with a three-phase motor output could, as a selection criterion, a pole pair number p with 2 ⁇ p ⁇ 4 and a rated torque MN exhibit.
  • Four-pole three-phase motors have a favorable magnetic geometry and a favorable arrangement of the windings.
  • Three-pole motors with six poles may even be superior to four-pole AC motors in terms of magnetic geometry and arrangement of windings.
  • the four-pole and six-pole three-phase motors result in only low rotational speeds on the motor shaft and, as a result, poor power output.
  • four- and six-pole three-phase motors can be operated with an inventively increased fundamental frequency fG and be better utilized in terms of their size. This is especially true for geared motors and systems with an engine and a transmission, in which the speed is reduced at the motor shaft anyway by a transmission.
  • the transmission with a transmission drive and a transmission output could as
  • Transmission ratio is greater 1) a reduction is present;
  • the transmission can be integrally arranged in the motor housing or flanged to the motor housing.
  • the three-phase motor thus drives the gear drive via its engine output.
  • the transmission output provides the working torque MW at working speed nW.
  • the feed line length of the feed lines can be reduced.
  • the supply lines electrically connect the inverter and the three-phase motor.
  • a reduced feed line length can have a particularly advantageous effect on electromagnetic emissions.
  • the prerequisite for such a decentralized arrangement of the inverter in or on the three-phase motor is that the interchangeable hopper can be constructed very compact and has a low power loss.
  • the three-phase system with which the three-phase motor is operated would, according to the advantageous aspect of the invention, be generated in steady-state operation with a basic nominal frequency fGnenn, wherein the selection of the pole pair number p, the nominal torque MN, the transmission ratio i and a nominal rated rotational frequency fGnennD, in addition to the aforementioned aspects of the Invention satisfies the following conditions:
  • times transmission efficiency r) G corresponds to the working torque MW, as well
  • Basic rated frequency fGnennD divided by the product of the number of pole pairs p times the amount of the transmission ratio
  • the nominal rated rotational frequency for asynchronous motors results from the basic nominal frequency fGnenn minus slip.
  • the fundamental rated frequency fGnennD and the basic nominal frequency are the same.
  • the inverter could comprise a power section and a control section.
  • the control part could include a computing unit, a memory, an analog interface and a digital interface. Furthermore, the control unit could be suitable for controlling the power unit and receiving signals from the power unit.
  • the power unit could have a first inverter branch with the pulsed voltage URO, a second inverter branch with the pulsed voltage USO and a third inverter branch with the pulsed voltage UTO contain.
  • the pulsed voltages URO, USO and UTO would be applied to connection means, wherein the connection means could include the connection points.
  • the memory could contain a digital representation of one or more pulse patterns.
  • the digital representation of the pulse pattern could be evaluated and processed by the arithmetic unit to then control the power unit so that the power unit generates in its three inverter branches the pulsed voltages URO, USO and UTO according to one of the pulse patterns.
  • the digital representation of the pulse pattern may include, for example, specific switching sequences.
  • the digital representation can also comprise, for example, one or more formulas and boundary conditions, wherein the arithmetic unit can calculate a suitable pulse pattern with the formulas and boundary conditions. Other digital representations of the pulse patterns are conceivable.
  • characteristic data and operating data of the three-phase motor and optionally of the optional transmission could be stored in the memory.
  • the characteristic and operating data may include operating times and load collectives and other values in order to continuously prepare and provide a condition forecast for on-demand maintenance.
  • This identification and operating data could be forwarded by the control part of the inverter via the digital interface, for example via a data bus, to other devices and / or used in the evaluation and / or processing of the digital representation of the pulse patterns.
  • an "electronic nameplate" consisting of a plurality of characteristic data can be stored in the memory, which can be passed on for central recording and processing via the digital interface.
  • a central controller can centrally record, process and monitor the identification and operating data transmitted by the control unit via a signal connection.
  • the signal connection can be made via data bus via the digital interface.
  • the inverter could be arranged in or on a housing of the three-phase motor.
  • an inverter according to the invention can feed a plurality of three-phase motors with the three-phase system. Accordingly, systems are provided which operate three-phase motors according to aspects of the present invention.
  • a method of manufacturing a three-phase motor for a system according to aspects of the invention According to this method, the windings of the three-phase motor are designed for a new, now lower, voltage-frequency ratio.
  • the iron length which corresponds to the length of the extension of the stator core along the axis of rotation, compared to a three-phase motor, designed for operation at a fundamental frequency less than or equal to 60 Hz can be reduced.
  • the reduction of the iron length may advantageously be in a range of 10% to 50%.
  • the two-phase three-phase motor is reduced in the iron length by 10% to 50%, especially 25%, from a three-phase motor of a first type designed for operation in a range of the fundamental frequency of 50 Hz to 60 Hz.
  • a method and / or an inverter according to aspects of the invention and / or aspects of one of the exemplary embodiments may be for the fundamental frequency fG in a frequency range below a first switching frequency fU1 and / or above a second switching frequency fU2 a three-phase system with a conventional PWM include.
  • Conventional PWM refers to a pulse width modulation according to the prior art.
  • the method may include switching between a conventional PWM.
  • a conventional pulse width modulation below a first switching frequency (fU1) and / or above a second switching frequency (fU2) can be used, wherein the first switching frequency (fU1) is smaller so the second switching frequency (fU2)
  • the method and / or the inverter may include one or more of the following operating states:
  • the first switching frequency fU1 can be up to 25% below the basic nominal frequency fGnenn, advantageously the first switching frequency fU1 can also be up to 15%, 10%, 8% or 5% below the basic rated frequency fGnenn.
  • the second switching frequency fU2 can be up to 25% above the basic nominal frequency fGnenn, advantageously the second switching frequency fU2 can also be up to 15%, 10%, 8% or 5% above the basic nominal frequency fGnenn.
  • the generation of the three-phase system can be done by means of a conventional PWM with a carrier frequency less than 4 kHz, since the start and stop operations concern only short periods of time and losses and any noise related to a total operating time have little meaning.
  • An increase in the fundamental frequency fG starting from a minimum value fGmin, where fGmin can be 0 Hz, can enable the starting of a synchronous motor.
  • FIG. 1 shows a first pulse pattern with three satellite pairs of satellites
  • FIG. 1 a shows an enlarged section of the circled area from FIG. 1 - FIG. 2 shows a second pulse pattern with a satellite pair of satellites
  • FIG. 2a shows an enlarged section of the circled area from FIG
  • FIG. 3 a first and a second rising switching edge, and a first and a second falling switching edge
  • FIG. 4 is a circuit diagram of an inverter - FIG. 5 shows a diagram with the dependence of the efficiency of two exemplary motors on the power of the motors
  • FIG. 6 shows a first table with characteristics of an exemplary motor at different fundamental frequencies
  • FIG. 7 shows a second table with characteristic values of two exemplary motors at different fundamental frequencies
  • FIG. 8 a direct voltage network with a central power supply and several systems, each with an inverter and an associated three-phase motor and another system with a
  • Inverter and a plurality of three-phase motors.
  • FIG. 1 and FIG. 2 two inventive and exemplary pulse patterns are shown.
  • the shape of the switching edges is shown in FIG. 1 and 2 not shown, but separately in FIG. 3 shown.
  • the FIG. 1 a and FIG. 2a are enlarged sections of FIG. 1 and FIG. Second
  • the pulse patterns enable the generation of a three-phase system for operating a three-phase motor on a DC voltage with an increased fundamental frequency fG and, as a result, an increased efficiency compared to operation on a three-phase network with a standard network frequency fST.
  • a three-phase motor can be used with less material, so a smaller volume.
  • the three simultaneous voltage waveforms of the pulsed voltages URO and USO, as well as the concatenated output voltage URS are plotted over time, 360 ° corresponding to the basic period duration TG. Furthermore, as the dotted sine wave, the effective equivalent voltage Ueff corresponding to the pulsed, chained output voltages URS is drawn.
  • the pulse pattern of the third pulsed voltage UTO (not shown) is identical to the pulse patterns of the first pulsed voltage URO and the second pulsed voltage USO but phase-shifted by 120 ° from the second pulsed voltage USO and 240 ° from the first pulsed voltage URO.
  • the pulse patterns, not shown, of the second concatenated output voltage UST and third concatenated output voltage UTR are identical to, but out of phase with the illustrated chained Output voltage URS.
  • the concatenated output voltage UST of the concatenated output voltage URS runs through 120 ° and the concatenated output voltage UTR of the chained output voltage UST also by 120 °.
  • a phase shift of 120 ° The second pulsed voltage USO is 120 ° out of phase with the first pulsed voltage URO.
  • the second pulsed voltage USO lags behind the first pulsed voltage URO by 120 °.
  • the pulse pattern of the second pulsed voltage USO is identical to the pulse pattern of the first pulsed voltage URO.
  • the pulse 191 corresponds to the pulse 181; the pulse 192 corresponds to the pulse 182.
  • pulses 284 and 294 are assigned to the preceding wave period, they are in steady-state operation with the pulse pattern unchanged identical with the pulse 283.
  • the pulse patterns of the concatenated output voltages URS, UST and UTR should have a point symmetry at 0 ° and 180 ° and a mirror symmetry at 90 ° and 270 °.
  • the points 30 °, 150 °, 210 ° and 330 ° of the chained output voltages URS, UST and UTR switching edges are.
  • Each half cycle of the pulse patterns of the chained output voltages URS, UST and UTR has a main pulse 1 10, 210, 140, 240.
  • each main pulse 1 10, 210, 140, 240 associated with satellite Satra be associated.
  • the main pulse 1 10, 210 a first Trabantenpulscontract with a first left side arranged Trabantenpuls 121, 221 and a first right side arranged Trabantenpuls 131, 231 on.
  • the first right-hand satellite pulse 261 would be the first right-hand satellite pulse 271 of a preceding main pulse.
  • the pulse pattern of the linked output voltages URS, UST and UTR can also have further satellite pulse pairs, shown are a second satellite pair 122 and 132 and a third satellite pair 123 and 133.
  • the chained output voltages URS, UST and UTR which are also present between motor connection lines 904, have amplitudes a1, a2.
  • the amplitude of the chained output voltages URS, UST and UTR essentially corresponds to a voltage UGL between supply lines 902, 903 of a DC voltage network 900 supplying the inverters 931 to 936, shown in FIG. 8th.
  • the main pulse has a pulse width bO.
  • a first satellite pair 121 and 131 may have a pulse width b1. The first satellite pair would be closest to the main pulse.
  • a second satellite pair 122 and 132 may have a pulse width b2.
  • the second pair of satellite pulses would have a second left-hand satellite pulse on the left of the first left-hand satellite pulse and a second right-hand satellite pulse on the right of the first right-hand satellite pulse.
  • the second satellite pair would encircle the first satellite pair.
  • a third satellite pair 123 and 133 may have a third pulse width b3.
  • the third satellite pair would be located outside the second pair of satellite strings. The distance to the main pulse would increase from the first satellite pair through the second pair of satellite pairs.
  • the counting scheme can be continued accordingly. Furthermore, the pulse width b1 of the first pair of satellite pulses can be smaller than the pulse width b0 of the main pulse, the pulse width b2 of the second can be smaller than the pulse width b1 of the first pair of satellite pulses, and the pulse width b3 of the third pair of satellite pulses can again be smaller than the pulse width b2 of the second pair of satellite pairs be. Since the horizontal axis of the representations represents the time, a satellite pulse arranged on the left precedes the main pulse, a right-handed arranged satellite pulse lags behind the main pulse. The width of the pulses is also referred to as the duration of the pulse.
  • a wider one Pulse lasts longer than a narrower pulse.
  • a pulse pattern according to the invention over the course of a half-period can first have an increasing pulse duration, then a longest-lasting main pulse and a subsequently decreasing pulse duration.
  • a first pulse gap b6 between the main pulse 110 and the adjacent first satellite pulse 131 would again be smaller than a second pulse gap b7 further away from the main pulse 110, which in turn could be smaller than a pulse gap b8 further removed from the main pulse 110.
  • the time span between two pulses could thus advantageously decrease first at the beginning of a half period and increase again after the main pulse 110.
  • a pulse pattern of the chained output voltages is optimized for minimizing harmonics and the lowest possible number of switching operations in the power section of the inverter.
  • the hatched voltage-time areas 201 to 206 between the actual effective reference voltage Ueff and the real concatenated output voltage cause a harmonic current that should be kept as small as possible to minimize losses in the three-phase motor and to minimize loading of windings in the three-phase motor.
  • the low switching frequency leads to correspondingly low switching losses in the inverter, so that the switching losses only slightly affect the overall efficiency of a system consisting of an inverter, a three-phase motor and optionally a gearbox.
  • an increased fundamental frequency fG of the chained output voltages URS, UST and UTR, or of the pulsed voltages URO, US0 and UT0 of 60 Hz to 150 Hz is advantageous since it can lead to an increased overall efficiency.
  • the advantageous fundamental frequency fG can also be in the ranges between 65 Hz to 130 Hz or 70 Hz to 100 Hz, or in two juxtaposed on three-phase motors of different number of poles optimized frequency ranges between 60 Hz to 87 Hz and 90 Hz to 130 Hz ,
  • a three-phase motor and a gearbox such as geared motors
  • a gearbox such as geared motors
  • Four-pole and six-pole three-phase motors have due to their favorable magnetic Geometry and an advantageous arrangement of the windings have proven particularly suitable, they can therefore be selected with preference.
  • the pulse pattern of the chained output voltages URS, UST and UTR can have a main pulse 110 with a pulse width b0> 60 °. Such a pulse pattern can increase the amplitude of the effective reference voltage Ueff with respect to the DC supply voltage.
  • a pulse pattern of URS, as shown in FIG. 1 has an amplitude of the effective reference voltage Ueff which is increased by approximately 5% with respect to the DC supply voltage. Nevertheless, the pulse width bO can also be less than 60 ° with a reduced amplitude of the effective reference voltage Ueff. This is interesting in a partial load operation, since the efficiency can be increased by reducing the amplitude of the effective reference voltage Ueff under low load.
  • the pulse pattern of the chained output voltages URS, UST and UTR have at least one satellite pair of pulses 121 and 131, 221 and 231 per main pulse 1 10, 210.
  • Trapezoidal pulse pairs minimize harmonic currents resulting from the deviation between the pulse pattern of the chained output voltage URS, UST and UTR and a sine wave.
  • the pulse pattern of the concatenated output voltages URS, UST and UTR can have a maximum of seven and more advantageously two to five satellite pulse pairs.
  • the pulse pattern of the chained output voltages URS, UST and UTR of FIG. 1 shows a pulse pattern with three satellite pulse pairs 121 and 131, 122 and 132, as well as 123 and 133.
  • a pulse pattern of the linked output voltages URS, UST and UTR with two, four, five, six or seven satellite pulse pairs also shows the aforementioned regularities: Mirror symmetry in 90 ° and 270 °, point symmetry in 0 ° and 180 °.
  • the pulse widths of the satellite pulse pairs can decrease with increasing distance from the main pulse, so that would apply b0>b1>b2>b3>b4> b5.
  • pulse widths between two adjacent pulses could increase with increasing distance from the associated main pulse, so that b6 ⁇ b7 ⁇ b8 ⁇ b9 ⁇ b10 would apply.
  • a limitation to seven or fewer satellite pairs per main pulse can reduce the switching losses in the inverter circuit.
  • Two to five satellite pulse pairs can be advantageous.
  • the pulsed voltages URO, USO and UTO each have a maximum of 2860 switching edges per second. This would correspond to a maximum of 1430 pulses per second, each with a rising and a falling switching edge.
  • the pulsed voltages URO, USO and UTO could each have a maximum of 2100 switching edges per second or a maximum of 1820 switching edges per second. This would correspond to a maximum of 1050 pulses per second or in each case a maximum of 910 pulses per second with a rising and a falling switching edge per pulse.
  • the pulsed voltage URO, USO and UTO can each have a minimum of 980 switching edges per second and a maximum of 1540 switching edges per second, corresponding to a minimum of 490 pulses per second and a maximum of 770 pulses per second.
  • the number of satellite pulse pairs can be selected depending on the fundamental frequency fG.
  • the fundamental frequency fG With a maximum number of 2100 switching edges per second in the respective pulsed voltages URO, USO and UTO up to the fundamental frequency fG with 70 Hz pulse patterns with seven satellite pairs in the concatenated output voltages URS, UST and UTR could be used.
  • the basic frequency fG of 80 Hz pulse patterns with six satellite pairs of harmonics could be used in the concatenated output voltages URS, UST and UTR.
  • the fundamental frequency fG of 95 Hz pulse patterns with five satellite pairs in the concatenated output voltages URS, UST and UTR could be used.
  • pulse patterns with four satellite pairs in the concatenated output voltages URS, UST and UTR could be used.
  • Up to the fundamental frequency fG with 150 Hz could pulse pattern with three Trabantenpulsfaren be used in the chained output voltages URS, UST and UTR.
  • Limiting the number of switching edges per second in the pulsed voltages URO, USO and UTO can reduce the switching losses in the inverter circuit. Pulse patterns with a minimum of 980 switching edges per second and a maximum of 1540 switching edges per second can optimize the three-phase system in terms of reducing switching losses and reducing harmonics.
  • the pulse pattern of the chained output voltages URS, UST and UTR can advantageously minimize resonances, since the selected pulse widths and pulse gap widths stimulate the structure of the three-phase motor with a comparatively wide frequency spectrum at low amplitude. Mechanical loads due to vibrations and noise in the inverter and three-phase motor can be minimized, so they are not considered to be so disturbing by humans.
  • the switching edges of the pulsed voltages URO, USO and UTO can, in an advantageous embodiment, as shown in FIG. 3, have a slope of less than 2 kV / ⁇ . It is even more advantageous to lower the slope even further, for example, to 1 kV / ⁇ or less. Shown are rising switching edges 31, 32 and falling switching edges 33, 34. The switching edges 31 and 33 are flanks of a trapezoidal pulse with a uniform edge steepness.
  • the switching edges can be changed so that there is no sudden jump in a voltage change rate, that is, an amount of the edge steepness does not jump from 0 kV / ⁇ to a maximum amount of edge steepness.
  • Such embodiments are shown in the switching edges 32 and 34, which in the beginning and end regions 343, 344 can be continuously differentiable with respect to the trapezoid pulses with the start and end regions 333, 334.
  • an advantageous embodiment can usually increase the switching losses in the inverter, it can also reduce the load and the losses in the three-phase motor.
  • the advantages of reducing the load of the winding insulation and the reduction of the spurious emissions can outweigh the disadvantages mentioned.
  • 4 shows the power section of an inverter with a simplified inverter circuit, as it is known from the prior art.
  • the inverter circuit has three inverter branches 410, 420, 430. Furthermore, the inverter has connection means. Each inverter branch is assigned a connection point in the connection means.
  • a first inverter branch 410 has a first connection point R
  • a second inverter branch 420 has a second connection point S
  • a third inverter branch 430 has a third connection point T.
  • the voltage applied between the connection points R and S chained output voltage URS is located. Accordingly, between the connection points S and T, the chained output voltage UST and between the connection points T and R, the concatenated output voltage UTR.
  • the three-phase motor is shown in simplified form by three star-connected inductors.
  • the common reference potential 0 of the pulsed output voltages URO, US0 and UT0 is applied at the junction of the three star-connected inductors, so that the pulsed output voltages URO, US0 and UTO are present between the connection points R, S and T and the common reference potential 0.
  • An exemplary first measurement point 41 for the stator current IS can be arranged in a region of the inverter circuit which is traversed by all three stator phase currents.
  • An exemplary second measuring point 42 may be arranged in a region of the three inverter branches, which is traversed by one of the three stator phase currents ISP.
  • the stator phase currents are the currents flowing through each one of the three stator windings.
  • the inverter includes a control unit.
  • the control part can control the power unit to generate pulsed voltages URO, US0 and UTO according to the invention as well as chained output voltages URS, UST and UTR according to the invention.
  • the inverter may include functions and features according to aspects of the invention as already described. Slip compensation can stabilize the speed at the motor shaft and thus at the output of the torque motor with changing working torque MW. In a partial load range, reducing the pulse widths can increase the efficiency of the motor, and impermissible operating states can be determined by the measurement and evaluation the stator current IS or the stator phase current ISP and / or a motor temperature and / or an inverter temperature detected and terminated by a predetermined reaction to protect the torque motor or the driven machine.
  • the method for operating the three-phase motor in a stationary operating state may include generating a three-phase system with an optimized pulse pattern according to the aspects of the invention, while for starting and braking a three-phase motor and in particular a synchronous motor during start and stop operations, the generation of the three-phase system by means of conventional PWM , An associated carrier frequency may be less than 4 kHz. Operating the three-phase motor in a field weakening operation can further increase the efficiency.
  • a method and / or an inverter according to aspects of the invention and / or aspects of one of the exemplary embodiments may comprise a three-phase system with a conventional PWM for the fundamental frequency fG in a frequency range below a first switching frequency fU1 and / or above a second switching frequency fU2.
  • the generation of the three-phase system when the first switching frequency fU1 is exceeded by the fundamental frequency fG, it is possible to switch from a conventional PWM to a generation in accordance with aspects of the invention and / or aspects of one of the exemplary embodiments.
  • the generation of the rotary current system can be switched to the generation by means of conventional PWM.
  • FIG. 5 shows the efficiencies of two exemplary three-phase motors at comparable power.
  • the dotted line 61 shows the efficiency of an asynchronous motor of a first type having an iron length of 100 mm for operation with a standard mains frequency of 50 Hz.
  • the iron length describes the length of the extension of the iron core in one direction along the axis of rotation.
  • An asynchronous motor of a second design of the same motor size but with a shorter iron length of 75mm can when operating with a Fundamental frequency fG, which is higher than the standard mains frequency at 70 Hz, deliver a comparable power.
  • the available torque of the asynchronous motor of the second type is correspondingly lower.
  • At a power output of about 0.6kW - which corresponds to an approximate partial load of 50% - the asynchronous motor of the second type has a consistently higher efficiency 62.
  • FIG. 6 a second type asynchronous motor for operation with a standard mains frequency of 50 Hz with a second type asynchronous motor for operation with an increased fundamental frequency fG of 70 Hz.
  • ventilation and friction losses Pfw and iron losses Pfe increase, the efficiency ⁇ improves by more than 1% .
  • One of the prerequisites for this is that a given load torque in both operating states is lower than the overturning moment and that the asynchronous motors can thermally dissipate the resulting total power loss.
  • FIG. 7 compares an asynchronous motor of the first type with an iron length of 100 mm for operation with a standard mains frequency of 50 Hz with a second type asynchronous motor with shortened iron length of 75 mm for operation with an increased fundamental frequency f G of 70 Hz.
  • the second type can each be connected to a first and a second reduction gear, which provides the working torque MW with working speed nW at a transmission output.
  • the reduction of the second reduction gear may be greater than the reduction of the first reduction gear, so that in both transmission outputs an equal working torque MW at comparable working speed nW is applied.
  • the asynchronous motor of the second type can have increased ventilation and friction losses Pfw as well as higher iron losses Pfe compared to the asynchronous motor of the first type.
  • stator winding losses PsO, rotor winding losses PrO and torque-dependent additional losses PLL can decrease.
  • P1 the electrical input power
  • PT the total losses added
  • P2 the mechanical power output.
  • the mechanical power outputs P2 of the asynchronous motor of the first type and of the asynchronous motor of the second type are determined by the load in FIG. 6 shown.
  • the asynchronous motor can be built shorter or smaller.
  • a fan of the three-phase motor can be adapted to the changed efficiency.
  • the increased ventilation losses can be at least partially compensated.
  • significant cost and material savings can result.
  • a method of manufacturing a three-phase motor for a system according to aspects of the invention we reduce the iron length compared to an operation of the three-phase motor at a fundamental frequency less than 65 Hz.
  • the reduction of the iron length may advantageously be in a range of 10% to 50%, advantageously 25%.
  • a central power supply 920 includes an optional line filter 923, a rectifier 921, and an optional inverter 922 for regenerating excess energy from the DC power grid to the utility grid 901.
  • the DC voltage network has feed lines 902, 903, which feed inverters 931 to 936 according to the invention.
  • the inverters 931 to 935 each operate a three-phase motor 941 to 945. Short supply lines between the inverter and the three-phase motor can reduce electromagnetic emissions. Therefore, it is advantageous to make the supply lines 902, 902 long in comparison to the supply lines between the inverter and three-phase motor and to arrange the inverter as possible on or in the three-phase motor.
  • a first system 951 according to the invention comprising an inverter 935 according to the invention and a three-phase motor 945 is shown.
  • a second system 952 according to the invention comprising an inverter 936 according to the invention and a plurality of three-phase motors 946 to 948 is likewise shown.
  • the three-phase motors 941 to 948 may be synchronous motors or asynchronous motors. Belonging to the three-phase motors 941 to 948 may be transmissions. In particular, the three-phase motors 941 to 948 may be geared motors.
  • the three-phase motors 941 to 948 can be designed to be optimized with regard to the nominal base frequency fGnenn, which is higher than the standard network frequency fST.
  • the three-phase motors 941 to 948 can be designed smaller due to the increased fundamental frequency fG, ie with a smaller motor volume.
  • the resulting higher engine speed may be compensated for by choosing a transmission with a higher gear ratio than a transmission in a comparable three-phase motor driven by a three-phase system with a standard network frequency fST. In other words, increased engine speed can be adjusted to the desired operating speed nW via a larger transmission ratio.
  • any number of inverters can be operated on a DC voltage network in order to carry out a method according to the invention for providing a working torque by means of a three-phase motor on a DC voltage network.
  • any number of the first and / or any desired number of the second systems according to the invention can be operated on a DC voltage network.
  • a signal connection of the control part of the inverter with a central control of a system an operating state or corresponding characteristic and operating data of the engine can be detected, processed and monitored centrally.
  • the identification and operating data of the engine and / or the transmission may include the (for example accumulated) operating times load groups.
  • the identification and operating data of the engine and / or the transmission can be stored in a memory of the control part.
  • the signal connection can be a data bus.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors an einem Gleichspannungsnetz. Das Verfahren umfasst die Erzeugung eines Drehstromsystems mit drei gepulsten Spannungen (UR0, US0, UT0) mit phasenverschobenen Pulsmustern, wobei Halbwellen einer Grundwelle von einer ersten bis dritten verketteten Ausgansspannung (URS, UST, UTR) zumindest einen Hauptpuls (110) aufweisen und wobei eine gemeinsame Grundfrequenz der verketteten Ausgangsspannungen größer als 60 Hz und kleiner oder gleich 150 Hz ist.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors an einem Gleichspannungsnetz, Wechselrichter für das Verfahren, System mit Wechselrichter und Verfahren zur Bereitstellung eines Drehstrommotors GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors, insbesondere zum Bereitstellen eines Arbeitsmomentes durch einen Drehstrommotor, an einem Gleichspannungsnetz. Ferner betrifft die Erfindung einen Wechselrichter zur Durchführung des Verfahrens und ein System mit einem solchen Wechselrichter, einem Drehstrommotor und einem optionalen Getriebe. Ebenso betrifft die Erfindung ein System mit einem solchen Wechselrichter und einer Mehrzahl von Drehstrommotoren und Getrieben.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen von Wechselrichtern bekannt. Eine beispielhafte vereinfachte Wechselrichterschaltung aus dem Stand der Technik ist in FIG. 4 dargestellt.
Anwendungen von Wechselrichtern finden sich beispielsweise in Vorrichtungen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), welche eingesetzt werden, um bei Störungen im Stromnetz die Versorgung kritischer elektrischer Lasten sicherzustellen. Auch Photovoltaikanlagen weisen regelmäßig Wechselrichter auf, um eine Gleichspannung produziert von Solarpaneelen in eine Wechselspannung umzurichten.
Auch Drehstrommotoren sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Drehstrommotoren können in Asynchronmotoren und Synchronmotoren unterteilt werden. Ein Drehstromasynchronmotor besteht aus einem Gehäuse, einem Stator und einem Rotor. Asynchronmotoren werden seit vielen Jahren zu den unterschiedlichsten Zwecken eingesetzt. Verschiedene Vorteile führen dazu, dass hierbei häufig auf Drehstromasynchronmotoren mit Käfigläufer zurückgegriffen wird.
Der Stator umfasst im Wesentlichen ein Ständerblechpaket und Ständerwicklungen. Das Ständerblechpaket weist eine Vielzahl an Nuten auf, innerhalb derer die Ständerwicklungen angeordnet sind. Die Ständerwicklungen können in einen ersten, einen zweiten und einen dritten Wicklungsstrang unterteilt werden.
Synchronmotoren weisen im Stator einen grundsätzlich vergleichbaren Aufbau wie die Asynchronmotoren auf. Ein Betrieb eines Drehstrommotors an einem durch einen Frequenzumrichter erzeugten Drehstrom ist vorteilhaft, weil so beispielsweise weitreichende Möglichkeiten der Steuerung und/oder Regelung von Drehzahl und Arbeitsmoment genutzt werden können. Doch eine solche Umrichterspeisung bedingt gegenüber einer echt sinusförmigen Netzspeisung neben den beschriebenen Vorteilen auch Nachteile, da ein Umrichter eine Sinusspannung durch eine Pulsweitenmodulation regelmäßig nur nachbildet. Es kommt zu höheren Verlusten und einer stärkeren Wärmeentwicklung in den Statorwicklungen und im Rotor. Pendelmomente wirken sich möglicherweise nachteilig auf die Arbeitslast aus. Sofern die Schaltfrequenzen des Umrichters unterhalb einer Hörschwelle von ca. 16 kHz liegen, kann eine Geräuschentwicklung angeregt durch die hochfrequenten Oberwellen als unangenehm empfunden werden. Induzierte Wellenspannungen und Lagerströme belasten den Umrichter-gespeisten Drehstrommotor zusätzlich. Induzierte Spannungsspitzen belasten eine Wicklungsisolation der Ständerwicklungen.
Bei der Entwicklung von Umrichtern für den Betrieb von Drehstrommotoren wird deshalb versucht, die Sinusspannung möglichst gut nachzubilden. Dies geschieht beispielsweise durch eine schnelle Taktung der Pulsweitenmodulation im Bereich von ca. 4000 Hz bis 18000 Hz und/oder durch zusätzliche Schaltungsanordnungen, die der Glättung der Ausgangspannung dienen. Beide Vorgehen sind nachteilig. Die schnelle Taktung der Pulsweitenmodulation führt zu erhöhten Schaltverlusten in den Halbleitern im Leistungsteil des Umrichters. Die Glättung der Ausgangspannung verkompliziert die Schaltungsanordnung, ist ebenfalls abhängig von einer Leitungslänge zwischen Wechselrichter und Drehstrommotor und erfüllt ihren Zweck nur in einem engen Lastbereich.
Gleichspannungsnetze finden zunehmende Verbreitung. So werden bei Motion Control Anwendungen Wechselrichter mit einer zentralen Gleichspannungsversorgung eingesetzt, um die Bewegungssteuerung von Maschinen und Anlagen mit Servo-Antrieben flexibel zu gestalten. Auch gibt es Bestrebungen zukünftig zentrale Gleichspannungsversorgungskonzepte auf Fabrikebene einzuführen, wie in FIG. 8 schematisch dargestellt, um den zunehmenden Einsatz von Frequenzumrichtern zu optimieren. Dadurch besteht zusätzlich die Möglichkeit dezentrale Fabriknetze mit Energiespeichern einfach zu stabilisieren. Weiterhin werden mobile Arbeitsmaschinen, Fahrzeuge und Erntemaschinen mit Elektroantrieben ausgerüstet. Auch bei diesen Anwendungen werden Gleichspannungsversorgungsnetze aufgebaut. Vor allem führt hierbei eine zunehmende politische Regulierung zu einem Bedarf nach energieeffizienten Antriebssystemen. Viele dieser Anwendungsfälle würden von einem erfindungsgemäßen Betrieb von Drehstrommotoren profitieren.
BESCHREIBUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, durch einen Drehstrommotor, welcher an einem Gleichspannungsnetz betrieben werden kann, ein Arbeitsmoment mit einer Arbeitsdrehzahl bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen an einem Gleichspannungsnetz betriebenen Wechselrichter bereitzustellen, der es ermöglicht einen Drehstrommotor an diesem Gleichspannungsnetz zu betreiben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Energieeffizienz eines Systems bestehend aus einem Wechselrichter, einem oder mehreren Drehstrommotoren und zugehörigen optionalen Getrieben zu verbessern und Nachteile bestehender Verfahren zum Betrieb eines Drehstrommotors, insbesondere an einem Gleichspannungsnetz, zu minimieren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das die Erzeugung eines Drehstromsystems umfasst. Das Drehstromsystem besteht aus einer ersten gepulsten Spannung URO zwischen einem ersten Anschlusspunkt R und einem gemeinsamen Referenzpotenzial 0, einer zweiten gepulsten Spannung US0 zwischen dem Referenzpotenzial 0 und einem zweiten Anschlusspunkt S und einer dritten gepulsten Spannung UTO zwischen einem dritten Anschlusspunkt T und dem Referenzpotenzial 0.
Die drei gepulsten Spannungen URO, USO und UTO weisen ein identisches aber phasenverschobenes Pulsmuster mit steigenden Schaltflanken und fallenden Schaltflanken auf. Die zweite gepulste Spannung USO ist gegenüber der ersten gepulsten Spannung URO um 120° phasenverschoben. Die dritte gepulste Spannung UTO ist gegenüber der zweiten gepulsten Spannung USO um 120° und gegenüber der ersten gepulsten Spannung URO um 240° phasenverschoben. Eine Phasenverschiebung um 1 ° bezeichnet dabei einen zeitlichen Versatz der Pulsmuster von einem Dreihundertsechzigstel einer gemeinsamen Grundperiodendauer TG. Anders ausgedrückt entsprechen 360° einer vollen Periode mit der Grundperiodendauer TG. Weiterhin sind eine erste verkettete Ausgangspannung URS zwischen den Potenzialen an dem ersten Anschlusspunkt R und dem zweiten Anschlusspunkt S, eine zweite verkettete Ausgangspannung UST zwischen den Potenzialen an dem zweiten Anschlusspunkt S und dem dritten Anschlusspunkt T und eine dritte verkettete Ausgangsspannung UTR zwischen den Potenzialen an dem dritten Anschlusspunkt T und dem ersten Anschlusspunkt R definiert. Somit weist der Wechselrichter drei Strompfade auf, wobei der erste Strompfad den ersten Anschlusspunkt R, der zweite Strompfad den zweiten Anschlusspunkt S und der dritte Strompfad den dritten Anschlusspunkt T aufweist.
Jeder Wicklungsstrang des Drehstrommotors weist ein erstes und ein zweites Strangende auf. Wird ein Drehstrommotor in Sternschaltung an den Wechselrichter angeschlossen, so verbindet man jeweils die ersten Strangenden der Wicklungsstränge des Stators mit jeweils einem der Anschlusspunkte R, S und T, während die zweiten Strangenden der drei Wicklungsstränge in einem Knotenpunkt miteinander verbunden werden. Wird ein Drehstrommotor in Dreieckschaltung an den Wechselrichter angeschlossen, so verbindet man den ersten Wicklungsstrang an seinen zwei Strangenden mit dem ersten Anschlusspunkt R und dem zweiten Anschlusspunkt S, den zweiten Wicklungsstrang an seinen zwei Strangenden mit dem zweiten Anschlusspunkt S und dem dritten Anschlusspunkt T und den dritten Wicklungsstrang an seinen zwei Strangenden mit dem dritten Anschlusspunkt T und dem ersten Anschlusspunkt R. Die verketteten Ausgangsspannungen USR, UST und UTR weisen ebenfalls die gemeinsame Grundperiodendauer TG auf, in welcher sich ein Pulsmuster in einer ersten Halbwelle und einer zweiten Halbwelle der Ausgangspannungen mit einer Dauer von jeweils TG/2 mit einer gleichen Amplitude aber wechselnden Vorzeichen wiederholt. Die erste Halbwelle und die zweite Halbwelle bilden gemeinsam eine Grundwelle der Ausgangsspannungen USR, UST und UTR. Die Grundwelle ist dabei in allen drei Ausgangsspannungen USR, UST und UTR identisch, jedoch um jeweils 120° phasenverschoben.
Ein Kehrwert der Grundperiodendauer TG entspricht einer Grundfrequenz fG. Die Grundfrequenz fG ist dabei höher als eine Standardnetzfrequenz fST. Anders ausgedrückt ist die Grundperiodendauer TG kürzer als eine Wellenperiode der Standardnetzfrequenz fST. Die gegenüber der Standardnetzfrequenz fST erhöhte Grundfrequenz fG des Drehstromsystems führt beim Betrieb des Drehstrommotors zu einer Nenndrehzahl des Drehstrommotors, die höher liegt, als eine Nenndrehzahl des Drehstrommotors bei Netzbetrieb. Das Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors kann zu einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Leistungsausbeute bezogen auf eine Motorbaugröße führen.
Die Standardnetzfrequenz fST liegt in allen relevanten Ländern der Welt bei 50 Hz oder 60 Hz. Entsprechend liegt die Grundfrequenz fG für das erfindungsgemäße Verfahren über 60 Hz.
Jede Halbwelle der Grundwelle der Ausgangsspannungen URS, UST und UTR weist einen Hauptpuls auf. Das Referenzpotenzial ist dabei so gewählt, dass sich die Vorzeichen der ersten Halbwellen von den Vorzeichen der zweiten Halbwellen unterscheiden, wobei eine Halbwellenform der ersten und der zweiten Halbwellen davon abgesehen identisch sind.
Das erzeugte Drehstromsystem erlaubt ein verfahrensgemäßes Betreiben eines Drehstrommotors an einem Gleichspannungsnetz. Insofern werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Drehstrommotors in einem Nennarbeitsbereich an einem Gleichspannungsnetz bereitgestellt. Das Verfahren und/oder die Vorrichtung sind geeignet, Drehstrommotoren in solchen Anwendungen an einem Gleichspannungsnetz zu betreiben, in denen der Drehstrommotor bisher an dem Drehstromnetz mit Standardnetzfrequenz fST betrieben wurde. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstigen und für den Anwender leicht handhabbaren Wechselrichter zu bereitzustellen.
Bei dem Drehstrommotor kann es sich um einen Asynchronmotor oder einen Synchronmotor handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Drehstrommotor auch um einen Getriebemotor handeln.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Grundfrequenz fG der Ausgangspannungen URS, UST und UTR größer als 60 Hz sein und maximal 150 Hz betragen. Vorteilhaft kann durch das Betreiben des Drehstrommotors mit der erhöhten Grundfrequenz fG, beziehungsweise der aus der erhöhten Grundfrequenz fG resultierenden erhöhten Arbeitsdrehzahl nW, der Wirkungsgrad des Drehstrommotors im Nennarbeitsbereich erhöht werden. Eine Frequenzerhöhung, beziehungsweise eine daraus resultierende Drehzahlerhöhung, kann zu einer größeren Wellenleistung führen, während Verluste im Motor nur geringfügig steigen. Weiter vorteilhaft können das Verfahren und/oder die Vorrichtung einen für die Produktion des Drehstrommotors notwendigen Materialeinsatz reduzieren. So kann bei einem vergleichbaren Bauvolumen und gleicher Bauart eine größere Wellenleistung erzielt werden. Alternativ kann ein Motor bei gleicher Bauart und vergleichbarer Wellenleistung durch die Drehzahlerhöhung mit geringerem Materialeinsatz produziert werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Drehstrommotor mit der Grundfrequenz fG im Bereich von 65 Hz bis 130 Hz oder im Bereich von 70 Hz bis 100 Hz betrieben werden. Insbesondere Systeme bestehend aus einem Drehstrommotor und einem Getriebe (wie Getriebemotoren, welche einen Drehstrommotor und ein integriertes Getriebe aufweisen) können vorteilhaft in einem optimierten Drehzahlbereich von 1800 1/min bis 2600 1/min und beispielsweise 2000 1/min an der Motorwelle betrieben werden. Ein System bestehend aus einem vierpoligen Drehstrommotor (mit der Polpaarzahl 2) und einem Getriebe kann in einem Frequenzbereich der Grundfrequenz fG von 60 Hz bis 87 Hz und beispielsweise bei etwa 70 Hz mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden als bei einer Standardnetzfrequenz von bspw. 50 Hz oder 60 Hz. Ein System bestehend aus einem sechspoligen Drehstrommotor (mit der Polpaarzahl 3) und einem Getriebe kann in einem Frequenzbereich der Grundfrequenz fG von 90 Hz bis 130 Hz und beispielsweise bei etwa 100 Hz mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden als bei einer Standardnetzfrequenz von bspw. 50 Hz oder 60 Hz. Die sinnvoll gewählte Erhöhung der Grundfrequenz fG und damit der resultierenden Drehzahl an der Motorwelle kann von der geplanten Anwendung abhängen. Eine zu niedrig gewählte Grundfrequenz fG kann potenziell mögliche Wirkungsgradgewinne nicht ausschöpfen, während eine zu hoch gewählte Grundfrequenz fG insbesondere im Getriebe zu stark erhöhten Verlusten führen kann. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Pulsbreite des Hauptpulses mehr als 45° und in einem Nennbetriebszustand mindestens 50° und vorteilhafterweise mindestens 60° betragen. Die Pulsbreite eines positiven Pulses beschreibt den zeitlichen Abstand zwischen einer steigenden Schaltflanke und einer fallenden Schaltflanke; die Pulsbreite eines negativen Pulses beschreibt den zeitlichen Abstand zwischen einer fallenden Schaltflanke und einer steigenden Schaltflanke. Eine große Hauptpulsbreite ist vorteilhaft um eine hohe gemittelte Spannungsamplitude bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Halbwellen der Grundwelle der Ausgangsspannungen von URS, UST und UTR mindestens einen und maximal sieben Trabantenpulspaare aufweisen. Ein Trabantenpulspaar kann aus jeweils zwei symmetrisch beabstandeten beiderseits des Hauptpulses angeordneten identischen Trabantenpulsen bestehen. Anders formuliert kann jede der Halbwellen genau einen Hauptpuls und eine gerade Anzahl von Trabantenpulsen aufweisen. Links- und rechtsseitig des Hauptpulses können gleich viele Trabanten zueinander spiegelsymmetrisch (bezogen auf die Phasenlage) angeordnet sein. Vorteilhaft können zwei bis fünf Trabantenpulspaare um den Hauptpuls angeordnet sein. Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Trabantenpulsen um den Hauptpuls können die Amplituden von Oberwellen verringert werden. Dies kann sich positiv auf die Belastung des Drehstrommotors und auf die Energieeffizienz auswirken.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung sollte ein Betrag einer Spannungsamplitude eines Haupt- oder Trabantenpulses zwischen seinen zwei zugehörigen Schaltflanken um nicht mehr als 15 % abfallen. Insbesondere sollte der Haupt- oder Trabantenpuls nur eine einzige steigende Schaltflanke und eine einzige fallende Schaltflanke aufweisen. Dieser Aspekt kann in positiver Weise die Schaltverluste des Wechselrichters minimieren.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Pulsbreiten der Trabantenpulse mit zunehmendem Abstand vom Hauptpuls abnehmen und Abstände zwischen zwei jeweils benachbarten Pulsen mit zunehmendem Abstand vom Hauptpuls zunehmen. Der Hauptpuls würde dabei die größte Pulsbreite aufweisen. Mit anderen Worten, besitzt der Hauptpuls vorteilhaft eine Pulsbreite, die größer ist als die aller Trabantenpulse. Dieser Aspekt kann die Ausprägung der Oberwellen verringern.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnten die Schaltflanken der gepulsten Spannungen URO, USO und UTO eine Flankensteilheit gleich oder kleiner als 2 kV/μβ aufweisen. Vorteilhaft wäre, wenn die Schaltflanken der gepulsten Spannungen URO, USO und UTO eine Flankensteilheit gleich oder kleiner als 1 kV/μβ aufweisen würden. Dieser Aspekt kann die Belastung beispielsweise der Wicklungsisolation durch induzierte Spannungsspitzen senken. Weiterhin können Störemissionen erheblich reduziert werden. Die erhöhte Verlustenergie pro Schaltvorgang kann wegen der erfindungsgemäß geringen Schalthäufigkeit vernachlässigt werden. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnten die gepulsten Spannungen URO, USO und UTO jeweils maximal 2860 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dies würde maximal 1430 Pulsen pro Sekunde mit jeweils einer steigenden und einer fallenden Schaltflanke entsprechen. Vorteilhaft könnten die gepulsten Spannungen URO, USO und UTO auch jeweils maximal 2100 Schaltflanken pro Sekunde oder 1820 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dies würde jeweils maximal 1050 Pulsen pro Sekunde oder maximal 910 Pulse pro Sekunde mit einer steigenden und einer fallenden Schaltflanke pro Puls entsprechen. Vorteilhafter Weise können die gepulsten Spannung URO, USO und UTO jeweils minimal 980 Schaltflanken pro Sekunde und maximal 1540 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dieser Aspekt kann die Schaltverluste des Wechselrichters und gleichzeitig die Amplitude von Oberwellen verringern. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte zwischen zwei nebeneinanderliegenden (bzw. unmittelbar aufeinanderfolgenden) Schaltflanken der gepulsten Spannungen URO, USO und UTO ein zeitlicher Abstand von mindestens 10 s liegen. Hierdurch kann eine Überlagerung einer Einschwingphase und einer Ausschwingphase vermieden werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte das Verfahren das sanfte Anfahren des Drehstrommotors umfassen. Handelt es sich bei dem Drehstrommotor um einen Asynchronmotor, so können die Pulsbreiten des Hauptpulses und/oder der Trabantenpulse über eine Zeitspanne tA bis zum Erreichen vorbestimmter Pulsnennbreiten gesteigert werden. Alternativ könnte der Drehstrommotor - unabhängig davon, ob es sich bei dem Drehstrommotor um einen Asynchronmotor oder einen Synchronmotor handelt - mit einem Drehstromsystem betrieben werden, bei welchem für das sanfte Anfahren die Grundfrequenz fG ausgehend von einem Minimalwert fGmin bis zum Erreichen einer vorbestimmten Grundnennfrequenz fGnenn gesteigert wird. Der Minimalwert fGmin kann vorteilhafterweise 0 Hz betragen. Ein sanftes Anfahren kann die Belastung des Drehstrommotors verringern und die Impulsbelastung des Gleichspannungsnetzes reduzieren.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte in einem Leistungsteil des Wechselrichters ein Statorstrom IS oder zumindest einer von drei Statorphasenströmen ISP gemessen und von einem Steuerteil des Wechselrichters überwacht werden. Der Statorstrom IS entspricht im Wesentlichen der Addition der drei Statorphasenströme ISP in den drei Wechselrichterzweigen. Bei einer Überschreitung eines vorbestimmten Maximalgrenzwertes Imax durch den Statorstrom IS könnte eine Absenkung der Grundfrequenz fG stattfinden. Bei dem Maximalgrenzwert Imax kann es sich um einen Motornennstrom handeln. Hierdurch würde das Verhältnis der Erregerspannungen URS, UST und UTR zur Frequenz fG steigen. Dadurch würde sich das leistbare Arbeitsmoment erhöhen. Beim Betrieb eines Asynchronmotors könnte die Grundfrequenz fG mit einem Korrekturwert, zugehörig zu einer Differenz zwischen Maximalgrenzwert Imax und Statorstrom IS, erhöht werden. Mit steigender Differenz würde der Korrekturwert ebenfalls steigen. Resultierend würde ein lastabhängiger Schlupf des Asynchronmotors kompensiert oder zumindest minimiert werden.
Auch kann der Drehstrommotor in einem Feldschwächbetrieb betrieben werden. Hierbei kann die Amplitude der Spannung an den Anschlusspunkten R, S und T konstant gehalten werden, während die Grundfrequenz fG gegenüber einer Motornennfrequenz fGnennM erhöht wird. Im Feldschwächbetrieb steigt die von dem Drehstrommotor abgegebene Leistung trotz einer Erhöhung der Drehzahl nicht weiter an. Ein solches Betreiben im Feldschwächbetrieb kann bei bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft sein, wie bspw. Förderbänder, Schredder oder Antriebe für Arbeitsspindeln. Arbeitsspindeln können ohne Getriebe und dafür mit einer Grundfrequenz fG auch oberhalb von 150 Hz betrieben werden.
In einem Teillastbereich, beispielsweise festgestellt bei einer Unterschreitung eines vorbestimmten Minimalgrenzwertes Imin durch den Statorstrom IS, kann eine Verringerung der Pulsbreiten des Hauptpulses und/oder der Trabantenpulse ausgelöst werden. Resultierend würde sich eine mittlere Erregerspannung absenken und der Wirkungsgrad des Drehstrommotors in einem Teillastbereich erhöhen.
Dieser Aspekt der Erfindung kann in verschiedener Hinsicht vorteilhaft sein. Die stromgeführte Regelung des Drehstrommotors kann beim Betrieb eines Asynchronmotors den Schlupf verringern oder eliminieren, kann den Drehstrommotor vor Überlast schützen und kann in einem Teillastbereich den Wirkungsgrad verbessern. Unzulässige Betriebszustände können erkannt und eine entsprechende Reaktion zum Schutz des Drehstrommotors und/oder der angetriebenen Maschine kann somit ausgelöst werden. Neben der Überwachung der Ströme im Motor können hierzu weitere Messwerte, wie beispielsweise eine Motortemperatur über Schnittstellen eines Steuerteils des Wechselrichters aufgenommen und verarbeitet werden.
Es wird ebenfalls ein Verfahren zur Auswahl eines geeigneten Drehstrommotors und eines geeigneten Getriebes bereitgestellt.
Der Drehstrommotor mit einem Drehstrommotorabtrieb könnte dabei als Auswahlkriterium eine Polpaarzahl p mit 2 < p < 4 und einem Nennmoment MN aufweisen. Drehstrommotoren mit vier Polen weisen eine günstige magnetische Geometrie und eine vorteilhafte Anordnung der Wicklungen auf. Drehstrommotoren mit sechs Polen können den Drehstrommotoren mit vier Polen bezüglich magnetischer Geometrie und Anordnung der Wicklungen sogar noch überlegen sein. Betrieben mit einer üblichen Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz ergeben sich bei den vier- und sechspoligen Drehstrommotoren jedoch nur geringe Drehzahlen an der Motorwelle und daraus resultierend eine schlechte Leistungsausbeute. Vorteilhaft können vier- und sechspolige Drehstrommotoren mit einer erfindungsgemäß erhöhten Grundfrequenz fG betrieben und bezüglich ihrer Baugröße besser ausgenutzt werden. Dies gilt insbesondere auch für Getriebemotoren und Systeme mit einem Motor und einem Getriebe, bei denen die Drehzahl an der Motorwelle ohnehin durch ein Getriebe herabgesetzt wird.
Das Getriebe mit einem Getriebeantrieb und einem Getriebeabtrieb könnte als
Auswahlkriterium neben einer ausreichenden Belastbarkeit ein Übersetzungsverhältnis i gleich der Getriebeantriebsdrehzahl geteilt durch die
Getriebeabtriebsdrehzahl (i = Getriebeantriebsdrehzahl /
Getriebeabtriebsdrehzahl) aufweisen, wobei mit |i|>1 (Betrag von des
Übersetzungsverhältnisses ist größer 1 ) eine Untersetzung vorliegt; die
Getriebeabtriebsdrehzahl also unter der Getriebeantriebsdrehzahl und ein Getriebeabtriebsmoment über einem Getriebeantriebsmoment liegt.
Drehstrommotor und Getriebe können verbunden sein. Vorteilhafterweise kann das Getriebe integral im Motorgehäuse angeordnet oder an das Motorgehäuse angeflanscht sein. Der Drehstrommotor treibt somit über seinen Motorabtrieb den Getriebeantrieb an. Der Getriebeabtrieb stellt das Arbeitsmoment MW mit Arbeitsdrehzahl nW bereit. Durch eine dezentrale Anordnung des Wechselrichters in oder an dem Drehstrommotor kann die Speiseleitungslänge der Speiseleitungen reduziert werden. Die Speiseleitungen verbinden Wechselrichter und Drehstrommotor elektrisch. Eine reduzierte Speiseleitungslänge kann sich insbesondere vorteilhaft auf elektromagnetische Emissionen auswirken. Voraussetzung für eine solche dezentrale Anordnung des Wechselrichters in oder am Drehstrommotor ist, dass der Wechseltrichter sehr kompakt aufgebaut werden kann und eine geringe Verlustleistung aufweist. Das Drehstromsystem, mit dem der Drehstrommotor betrieben wird, würde gemäß dem vorteilhaften Aspekt der Erfindung im stationären Betrieb mit einer Grundnennfrequenz fGnenn erzeugt werden, wobei das Auswählen der Polpaarzahl p, des Nennmomentes MN, des Übersetzungsverhältnisses i und einer Grundnenndrehfrequenz fGnennD neben den genannten Aspekten der Erfindung die folgenden Bedingungen erfüllt:
- Nennmoment MN des Drehstrommotors mal Betrag des Übersetzungsverhältnisses |i| mal Getriebewirkungsgrad r)G entspricht dem Arbeitsmoment MW, sowie
Grundnenndrehfrequenz fGnennD geteilt durch das Produkt der Polpaarzahl p mal dem Betrag des Übersetzungsverhältnisses |i| entspricht der Arbeitsdrehzahl nW. Die Grundnenndrehfrequenz ergibt sich für Asynchronmotoren aus der Grundnennfrequenz fGnenn minus Schlupf. Für Synchronmotoren ist die Grundnenndrehfrequenz fGnennD und die Grundnennfrequenz gleich.
Durch diesen Aspekt der Erfindung kann die gegenüber der Nenndrehzahl des Drehstrommotors bei Netzbetrieb erhöhte Nenndrehzahl des Drehstrommotors bei erfindungsgemäßem Betrieb durch ein betragsmäßig größeres Übersetzungsverhältnis |i| ausgeglichen und an eine gewünschte Arbeitsdrehzahl nW angepasst werden. Zusammen mit den weiteren Aspekten der Erfindung kann auf diese Weise der Wirkungsgrad des Systems bestehend aus Wechselrichter, Drehstrommotor und Getriebe erhöht werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte der Wechselrichter einen Leistungsteil und einen Steuerteil umfassen.
Der Steuerteil könnte dabei eine Recheneinheit, einen Speicher, eine analoge Schnittstelle und eine digitale Schnittstelle umfassen. Weiterhin könnte der Steuerteil geeignet sein, den Leistungsteil anzusteuern und vom Leistungsteil Signale zu empfangen.
Der Leistungsteil könnte einen ersten Wechselrichterzweig mit der gepulsten Spannung URO, einen zweiten Wechselrichterzweig mit der gepulsten Spannung USO und einen dritten Wechselrichterzweig mit der gepulsten Spannung UTO enthalten. Die gepulsten Spannungen URO, USO und UTO würden an Anschlussmitteln anliegen, wobei die Anschlussmittel die Anschlusspunkte enthalten könnten. An den Anschlusspunkten könnte der Drehstrommotor angeschlossen werden. Der Speicher könnte eine digitale Repräsentation eines oder mehrerer Pulsmuster enthalten. Die digitale Repräsentation der Pulsmuster könnte von der Recheneinheit ausgewertet und bearbeitet werden, um anschließend den Leistungsteil so anzusteuern, dass der Leistungsteil in seinen drei Wechselrichterzweigen die gepulsten Spannungen URO, USO und UTO entsprechend eines der Pulsmuster erzeugt. Die digitale Repräsentation der Pulsmuster kann beispielsweise konkrete Schaltfolgen umfassen. Die digitale Repräsentation kann beispielsweise auch eine oder mehrere Formeln und Randbedingungen umfassen, wobei die Recheneinheit mit den Formeln und Randbedingungen ein geeignetes Pulsmuster errechnen kann. Andere digitale Repräsentationen der Pulsmuster sind denkbar.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnten im Speicher Kenndaten und Betriebsdaten des Drehstrommotors und gegebenenfalls des optionalen Getriebes abgelegt sein. Die Kenn- und Betriebsdaten können unter Anderem Betriebszeiten und Lastkollektive und andere Werte einschließen um laufend eine Zustandsprognose zur bedarfsgerechten Wartung zu erstellen und bereitzuhalten. Diese Kenn- und Betriebsdaten könnte der Steuerteil des Wechselrichters über die digitale Schnittstelle, beispielsweise über einen Datenbus, an andere Geräte weitergeben und/oder in der Auswertung und/oder Bearbeitung der digitalen Repräsentation der Pulsmuster verwenden. Entsprechend kann im Speicher ein„elektronisches Typenschild" bestehend aus einer Vielzahl von Kenndaten vorgehalten werden, welches für eine zentrale Erfassung und Verarbeitung über die digitale Schnittstelle weitergegeben werden kann.
Eine zentrale Steuerung kann die von dem Steuerteil über eine Signalverbindung übermittelten Kenn- und Betriebsdaten zentral erfassen, bearbeiten und Überwachen. Die Signalverbindung kann mittels Datenbus über die digitale Schnittstelle hergestellt werden. Diese Aspekte der Erfindung können sich vorteilhaft auf die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auswirken.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung könnte der Wechselrichter in oder an einem Gehäuse des Drehstrommotors angeordnet sein. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein erfindungsgemäßer Wechselrichter eine Mehrzahl von Drehstrommotoren mit dem Drehstromsystem speisen. Entsprechend werden Systeme bereitgestellt welche Drehstrommotoren gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung betreibt. Es wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Drehstrommotors für ein System gemäß Aspekten der Erfindung bereitgestellt. Gemäß diesem Verfahren werden die Wicklungen des Drehstrommotors für ein neues, nun niedrigeres, Spannungs-Frequenzverhältnis ausgelegt. Weiterhin kann eine für die erhöhte Frequenz besser geeignete Blechqualität gewählt werden, sowie eine Neuberechnung des Lüfters auf Grundlage der nun erhöhten Drehzahl an der Motorwelle des Drehstrommotors und der veringerten Verluste im Drehstrommotor vorgenommen werden. Weiterhin kann die Eisenlänge, welche der Länge der Erstreckung des Ständerblechpaketes entlang der Rotationsachse entspricht, gegenüber einem Drehstrommotor, ausgelegt auf einen Betrieb bei einer Grundfrequenz kleiner oder gleich 60 Hz, reduziert werden. Die Reduzierung der Eisenlänge kann vorteilhaft in einem Bereich von 10 % bis 50 % liegen. Mit anderen Worten ist der Drehstrommmotor einer zweiten Bauart gegenüber einem Drehstrommotor einer ersten Bauart, der für den Betrieb in einem Bereich der Grundfrequenz von 50 Hz bis 60 Hz ausgelegt ist, in der Eisenlänge um 10 % bis 50 %, insbesondere 25 % reduziert. Analog können anstelle der Reduzierung der Eisenlänge auch andere geometrische Parameter, beispielsweise der Motordurchmesser, reduziert werden. Weitere Aspekte des Verfahrens, des Wechselrichters und der Systeme ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung gemäß den Aspekten der Erfindung. Ein Verfahren und/oder ein Wechselrichter nach Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen kann für die Grundfrequenz fG in einem Frequenzbereich unterhalb eines ersten Umschaltfrequenz fU1 und/oder oberhalb einer zweiten Umschaltfrequenz fU2 ein Drehstromsystem mit einer konventionellen PWM umfassen. Konventionelle PWM bezeichnet dabei eine Pulsweitenmodulation nach dem Stand der Technik. Mit anderen Worten kann das Verfahren das Umschalten zwischen einer konventionellen PWM umfassen. Somit kann eine konventionelle Pulsweitenmodulation unterhalb einer ersten Umschaltfrequenz (fU1 ) und/oder oberhalb einer zweiten Umschaltfrequenz (fU2) verwendet werden, wobei die erste Umschaltfrequenz (fU1 ) kleiner ist also die zweite Umschaltfrequenz (fU2)
Weiterhin können das Verfahren und/oder der Wechselrichter nach Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen einen oder mehrere der folgenden Betriebszustände umfassen:
Erzeugen eines Drehstromsystems mittels konventioneller PWM für eine Grundfrequenz fG unterhalb einer ersten Umschaltfrequenz fU1 .
Erzeugen eines Drehstromsystems gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen für eine Grundfrequenz fG oberhalb der ersten Umschaltfrequenz fU1 und unterhalb einer zweiten Umschaltfrequenz fU2.
Erzeugen eines Drehstromsystems mittels konventioneller PWM für eine Grundfrequenz fG oberhalb der zweiten Umschaltfrequenz fU2.
Die erste Umschaltfrequenz fU1 kann bis zu 25 % unterhalb der Grundnennfrequenz fGnenn liegen, vorteilhafterweise kann die erste Umschaltfrequenz fU1 auch bis zu 15 %, 10 %, 8 % oder 5 % unterhalb der Grundnennfrequenz fGnenn liegen.
Die zweite Umschaltfrequenz fU2 kann bis zu 25 % oberhalb der Grundnennfrequenz fGnenn liegen, vorteilhafterweise kann die zweite Umschaltfrequenz fU2 auch bis zu 15 %, 10 %, 8 % oder 5 % oberhalb der Grundnennfrequenz fGnenn liegen.
Anders formuliert kann bei der Erzeugung des Drehstromsystems bei Überschreiten der ersten Umschaltfrequenz fU 1 durch die Grundfrequenz fG von einer konventionellen PWM zu einer Erzeugung gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen gewechselt werden. Ebenso kann bei der Erzeugung des Drehstromsystems bei Unterschreiten der ersten Umschaltfrequenz fU1 durch die Grenzfrequenz fG von der Erzeugung gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen auf die Erzeugung mittels konventioneller PWM gewechselt werden. Entsprechend kann eine Erzeugung des Drehstromsystems mittels konventioneller PWM übergangsweise für Start- und Stoppvorgänge Verwendung finden. Die Erzeugung des Drehstromsystems kann mittels einer konventionellen PWM mit einer Trägerfrequenz geringer als 4 kHz erfolgen, da die Start- und Stoppvorgänge nur kurze Zeitabschnitte betreffen und Verluste sowie eine eventuelle Geräuschbildung bezogen auf eine Betriebsgesamtzeit nur wenig Bedeutung haben. Eine Steigerung der Grundfrequenz fG ausgehend von einem Minimalwert fGmin, wobei fGmin 0 Hz betragen kann, kann das Anfahren eines Synchronmotors ermöglichen.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN Im Folgenden werden die Merkmale und Aspekte der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, dabei zeigt:
FIG. 1 ein erstes Pulsmuster mit drei Trabantenpulspaaren
FIG. 1 a einen vergrößerten Ausschnitt des umkreisten Bereichs aus FIG.1 - FIG. 2 ein zweites Pulsmuster mit einem Trabantenpulspaar
FIG. 2a einen vergrößerten Ausschnitt des umkreisten Bereichs aus FIG.2
FIG. 3 eine erste und eine zweite steigende Schaltflanke, sowie eine erste und eine zweite fallende Schaltflanke
FIG. 4 ein Schaltbild eines Wechselrichters - FIG. 5 ein Diagramm mit der Abhängigkeit des Wirkungsgrades zweier beispielhafter Motoren von der Leistung der Motoren
FIG. 6 eine erste Tabelle mit Kennwerten eines beispielhaften Motors bei verschiedenen Grundfrequenzen FIG. 7 eine zweite Tabelle mit Kennwerten zweier beispielhafter Motoren bei verschiedenen Grundfrequenzen
FIG. 8 ein Gleichspannungsnetz mit einer zentralen Netzversorgung und mehreren Systemen mit jeweils einem Wechselrichter und einem zugehörigen Drehstrommotor und einem weiteren System mit einem
Wechselrichter und einer Mehrzahl an Drehstrommotoren.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In FIG. 1 und FIG. 2 sind zwei erfindungsgemäße und beispielhafte Pulsmuster gezeigt. Die Form der Schaltflanken ist in FIG. 1 und 2 nicht dargestellt, sondern gesondert in FIG. 3 gezeigt. Die FIG. 1 a und FIG. 2a sind vergrößerte Ausschnitte der FIG. 1 und FIG. 2.
Die Pulsmuster ermöglichen die Erzeugung eines Drehstromsystems zum Betreiben eines Drehstrommotors an einer Gleichspannung mit einer erhöhten Grundfrequenz fG und daraus resultierend einem erhöhtem Wirkungsgrad verglichen mit einem Betrieb an einem Drehstromnetz mit einer Standardnetzfrequenz fST. Durch den Betrieb mit dem erfindungsgemäßen Drehstromsystem kann ein Drehstrommotor mit geringerem Materialeinsatz, also einem geringeren Bauvolumen genutzt werden.
Die drei zeitgleichen Spannungsverläufe der gepulsten Spannungen URO und USO, sowie der verketteten Ausgangsspannung URS sind über die Zeit aufgetragen, wobei 360° der Grundperiodendauer TG entsprechen. Weiterhin ist als gepunktete Sinuswelle die den gepulsten verketteten Ausgangspannungen URS entsprechende effektive Vergleichsspannung Ueff eingezeichnet.
Das Pulsmuster der nicht gezeigten dritten gepulsten Spannung UTO ist identisch mit den Pulsmustern der ersten gepulsten Spannung URO und der zweiten gepulsten Spannung USO, jedoch um 120° gegenüber der zweiten gepulsten Spannung USO und 240° gegenüber der ersten gepulsten Spannung URO phasenverschoben.
Entsprechend sind auch die nicht dargestellten Pulsmuster der zweiten verketteten Ausgangsspannung UST und dritten verketteten Ausgangsspannung UTR identisch mit, aber phasenverschoben zu der dargestellten verketteten Ausgangspannung URS. Dabei läuft die verkettete Ausgangspannung UST der verketteten Ausgangsspannung URS um 120° und die verkettete Ausgangsspannung UTR der verketteten Ausgangsspannung UST ebenfalls um 120° nach. Eine Phasenverschiebung von 120° Die zweite gepulste Spannung USO ist gegenüber der ersten gepulsten Spannung URO 120° phasenverschoben. Die zweite gepulste Spannung USO hinkt der ersten gepulsten Spannung URO um 120° nach. Das Pulsmuster der zweiten gepulsten Spannung USO ist dabei identisch zum Pulsmuster der ersten gepulsten Spannung URO. So entspricht der Puls 191 dem Puls 181 ; der Puls 192 entspricht dem Puls 182. Gleiches gilt für die Pulse 193 und 194, welche wiederum den Pulsen 183 und 184 entsprechen. Analog verhält es sich mit Puls 291 , welcher dem Puls 281 entspricht, der Puls 292 entspricht dem Puls 282 und der Puls 294 entspricht dem Puls 284. Die Pulse 284 und 294 werden zwar der vorangegangen Wellenperiode zugeordnet, sind jedoch im stationären Betrieb bei unverändertem Pulsmuster mit dem Puls 283 identisch.
Bei der Gestaltung der Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR, sowie der gepulsten Spannungen URO, USO und UTO sind verschiedene Regeln zu beachten. So sollten die Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR bei 0° und 180° eine Punktsymmetrie, sowie eine Spiegelsymmetrie bei 90° und 270° aufweisen. Daraus resultierend können an den Punkten 30°, 150°, 210° und 330° der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR Schaltflanken liegen.
Jede Halbwelle der Pulsmuster der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR weist einen Hauptpuls 1 10, 210, 140, 240 auf. Vorteilhafter Weise können jedem Hauptpuls 1 10, 210, 140, 240 zugehörige Trabantenpulspaare zugeordnet sein. So weist der Hauptpuls 1 10, 210 ein erstes Trabantenpulspaar mit einem ersten linksseitig angeordneten Trabantenpuls 121 , 221 und einem ersten rechtsseitig angeordneten Trabantenpuls 131 , 231 auf. Gleiches gilt aufgrund der Punktsymmetrie für den Hauptpuls 140, 240 und den dargestellten ersten linksseitigen Trabantenpuls 151 , 251 und dem dargestellten ersten rechtsseitigen Trabantenpuls 261. Im stationären Betrieb ohne verändertes Pulsmuster würde der erste rechtsseitige Trabantenpuls 261 dem ersten rechtseitigen Trabantenpuls 271 eines vorangegangen Hauptpulses entsprechen. Neben einem ersten Trabantenpulspaar 121 und 131 , 221 und 231 kann das Pulsmuster der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR auch weitere Trabantenpulspaare, gezeigt sind ein zweites Trabantenpulspaar 122 und 132 und ein drittes Trabantenpulspaar 123 und 133, aufweisen.
Die verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR, welche auch zwischen Motoranschlussleitungen 904 anliegen, weisen Amplituden a1 , a2 auf. Die Amplitude der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR entspricht dabei im Wesentlichen einer Spannung UGL zwischen Speiseleitungen 902, 903 eines den Wechselrichter 931 bis 936 speisenden Gleichspannungsnetzes 900, dargestellt in FIG. 8.
Der Hauptpuls weist eine Pulsbreite bO auf. Ein erstes Trabantenpulspaar 121 und 131 kann eine Pulsbreite b1 aufweisen. Das erste Trabantenpulspaar würde am dichtesten neben dem Hauptpuls liegen. Ein zweites Trabantenpulspaar 122 und 132 kann eine Pulsbreite b2 aufweisen. Das zweite Trabantenpulspaar würde einen zweiten linksseitigen Trabantenpuls links des ersten linksseitigen Trabantenpulses und einen zweiten rechtseitigen Trabantenpuls rechts des ersten rechtsseitigen Trabantenpulses aufweisen. Das zweite Trabantenpulspaar würde das erste Trabantenpulspaar umschließen. Entsprechend kann ein drittes Trabantenpulspaar 123 und 133 eine dritte Pulsbreite b3 aufweisen. Das dritte Trabantenpulspaar würde außerhalb des zweiten Trabantenpulspaares angeordnet sein. Die Entfernung zum Hauptpuls würde vom ersten Trabantenpulspaar über das zweite Trabantenpulspaar zunehmen. Das dritte Trabantenpulspaar wäre weiter vom Hauptpuls entfernt als das zweite Trabantenpulspaar. Für weitere Trabantenpulspaare kann das Zählschema entsprechend fortgesetzt werden. Weiterhin kann die Pulsbreite b1 des ersten Trabantenpulspaares kleiner als die Pulsbreite bO des Hauptpulses ausfallen, die Pulsbreite b2 des zweiten kann kleiner als die Pulsbreite b1 des ersten Trabantenpulspaares sein, und die Pulsbreite b3 des dritten Trabantenpulspaares kann wiederum kleiner als die Pulsbreite b2 des zweiten Trabantenpulspaares sein. Da die horizontale Achse der Darstellungen die Zeit darstellt, eilt ein linksseitig angeordneter Trabantenpuls dem Hauptpuls voraus, ein rechtsseitig angeordneter Trabantenpuls hinkt dem Hauptpuls nach. Die Breite der Pulse wird auch als die Dauer des Pulses bezeichnet. Ein breiterer Puls dauert länger an als ein schmalerer Puls. Insofern ist unmittelbar verständlich, dass ein erfindungsgemäßes Pulsmuster im Zeitverlauf einer Halbperiode zuerst eine zunehmende Pulsdauer, dann einem am längsten andauernden Hauptpuls und eine nachfolgend abnehmenden Pulsdauer aufweisen kann. Eine erste Pulslücke b6 zwischen dem Hauptpuls 1 10 und dem nebenliegenden ersten Trabantenpuls 131 wäre wiederum kleiner als eine zweite weiter vom Hauptpuls 1 10 entfernte Pulslücke b7, welche wiederum kleiner sein könnte als eine noch weiter vom Hauptpuls 1 10 entfernte Pulslücke b8. Die Zeitspanne zwischen zwei Pulsen könnte vorteilhafter Weise zu Beginn einer Halbperiode also zuerst abnehmen und nach dem Hauptpuls 1 10 wieder zunehmen.
Auf die beschriebene Weise wird ein Pulsmuster der verketteten Ausgangsspannungen auf eine Minimierung von Oberwellen und eine möglichst geringe Anzahl von Schaltvorgängen im Leistungsteil des Wechselrichters hin optimiert. Die schraffierten Spannungs-Zeit-Flächen 201 bis 206 zwischen der eigentlich effektiven Vergleichsspannung Ueff und der realen verketteten Ausgangspannung bewirken einen Oberwellenstrom, der zur Minimierung von Verlusten im Drehstrommotor und zur Minimierung einer Belastung von Wicklungen im Drehstrommotor möglichst klein gehalten werden sollte. Weiterhin führt die geringe Schalthäufigkeit zu entsprechend geringen Schaltverlusten im Wechselrichter, sodass sich die Schaltverluste nur geringfügig auf den Gesamtwirkungsgrad eines Systems bestehend aus einem Wechselrichter, einem Drehstrommotor und optional einem Getriebe auswirkt.
Gemäß den Aspekten der Erfindung ist eine erhöhte Grundfrequenz fG der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR, beziehungsweise der gepulsten Spannungen URO, US0 und UT0 mit 60 Hz bis 150 Hz vorteilhaft, da Sie zu einem erhöhten Gesamtwirkungsgrad führen kann. Abhängig vom Anwendungsfall kann die vorteilhafte Grundfrequenz fG auch in den Bereichen zwischen 65 Hz bis 130 Hz oder 70 Hz bis 100 Hz, bzw. bei zwei nebeneinander bestehenden auf Drehstrommotoren unterschiedlicher Polzahl optimierte Frequenzbereiche zwischen 60 Hz bis 87 Hz und 90 Hz bis 130 Hz liegen.
Besonders Systeme bestehend aus einem Drehstrommotor und einem Getriebe, wie beispielsweise Getriebemotoren, können in einem optimierten Drehzahlbereich an der Motorwelle von etwa 1800 Umdrehungen pro Minute bis etwa 2600 Umdrehungen pro Minute einen erhöhten Gesamtwirkungsgrad aufweisen. Insofern kann es vorteilhaft sein, einen vierpoligen Drehstrommotor mit einer Grundfrequenz fG im Bereich von 60 Hz bis 87 Hz und einen sechspoligen Drehstrommotor mit einer Grundfrequenz fG im Bereich von 90 Hz bis 130 Hz betrieben werden .Vierpolige und sechspolige Drehstrommotoren haben sich aufgrund ihrer günstigen magnetischen Geometrie und eine vorteilhafte Anordnung der Wicklungen als besonders geeignet erwiesen, sie können deshalb bevorzugt ausgewählt werden. Das Pulsmuster der verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR kann einen Hauptpuls 1 10 mit einer Pulsbreite bO > 60° aufweisen. Ein solches Pulsmuster kann die Amplitude der effektiven Vergleichsspannung Ueff gegenüber der speisenden Gleichspannung erhöhen. Ein Pulsmuster von URS, wie in FIG. 1 gezeigt, weist eine um ca. 5 % gegenüber der speisenden Gleichspannung erhöhte Amplitude der effektiven Vergleichsspannung Ueff auf. Gleichwohl kann die Pulsbreite bO bei reduzierter Amplitude der effektiven Vergleichsspannung Ueff auch unter 60° betragen. Dies ist in einem Teillastbetrieb interessant, da durch eine Reduzierung der Amplitude der effektiven Vergleichsspannung Ueff unter geringer Belastung der Wirkungsgrad erhöht werden kann.
Vorteilhaft kann das Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR mindestens ein Trabantenpulspaar 121 und 131 , 221 und 231 pro Hauptpuls 1 10, 210 aufweisen. Trabantenpulspaare minimieren Oberwellenströme die aus der Abweichung zwischen dem Pulsmuster der verketteten Ausgangspannung URS, UST und UTR und einer Sinuswelle resultieren.
Vorteilhaft kann das Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR maximal sieben und weiter vorteilhaft zwei bis fünf Trabantenpulspaare aufweisen. Das Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR aus FIG. 1 zeigt ein Pulsmuster mit drei Trabantenpulspaaren 121 und 131 , 122 und 132, sowie 123 und 133. Auch ein Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR mit zwei, vier, fünf, sechs oder sieben Trabantenpulspaaren zeigt die zuvor genannten Regelmäßigkeiten auf: Spiegelsymmetrien in 90° und 270°, Punktsymmetrien in 0° und 180°. Die Pulsbreiten der Trabantenpulspaare kann mit zunehmendem Abstand vom Hauptpuls abnehmen, sodass gelten würde b0>b1 >b2>b3>b4>b5. Pulslückenbreiten zwischen zwei benachbarten Pulsen hingegen könnten mit zunehmendem Abstand vom zugehörigen Hauptpuls zunehmen, sodass gelten würde b6<b7<b8<b9<b10. Eine Begrenzung auf sieben oder weniger Trabantenpulspaare je Hauptpuls kann die Schaltverluste in der Wechselrichterschaltung reduzieren. Zwei bis fünf Trabantenpulspaare können vorteilhaft sein. Vorteilhaft können die gepulsten Spannungen URO, USO und UTO jeweils maximal 2860 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dies würde maximal 1430 Pulsen pro Sekunde mit jeweils einer steigenden und einer fallenden Schaltflanke entsprechen. Vorteilhafter Weise könnten die gepulsten Spannungen URO, USO und UTO auch jeweils maximal 2100 Schaltflanken pro Sekunde oder jeweils maximal 1820 Schaltflanken pro Sekunde aufweisen. Dies würde jeweils maximal 1050 Pulsen pro Sekunde oder jeweils maximal 910 Pulsen pro Sekunde mit einer steigenden und einer fallenden Schaltflanke pro Puls entsprechen. Vorteilhafter Weise können die gepulsten Spannung URO, USO und UTO jeweils minimal 980 Schaltflanken pro Sekunde und maximal 1540 Schaltflanken pro Sekunde, entsprechend jeweils minimal 490 Pulsen pro Sekunde und maximal 770 Pulse pro Sekunde, aufweisen.
Die Anzahl der Trabantenpulspaare kann dabei abhängig von der Grundfrequenz fG gewählt werden. So könnten bei einer maximalen Anzahl von 2100 Schaltflanken pro Sekunde in den jeweiligen gepulsten Spannungen URO, USO und UTO bis zur Grundfrequenz fG mit 70 Hz Pulsmuster mit sieben Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Bis zur Grundfrequenz fG mit 80 Hz könnten Pulsmuster mit sechs Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Bis zur Grundfrequenz fG mit 95 Hz könnten Pulsmuster mit fünf Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Bis zur Grundfrequenz fG mit 1 16 Hz könnten Pulsmuster mit vier Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Bis zur Grundfrequenz fG mit 150 Hz könnten Pulsmuster mit drei Trabantenpulspaaren in den verketteten Ausgangsspannungen URS, UST und UTR genutzt werden. Eine Begrenzung der Anzahl der Schaltflanken pro Sekunde in den gepulsten Spannungen URO, USO und UTO kann die Schaltverluste in der Wechselrichterschaltung reduzieren. Pulsmuster mit einer Anzahl von minimal 980 Schaltflanken pro Sekunde und maximal 1540 Schaltflanken pro Sekunde können das Drehstromsystem hinsichtlich einer Reduzierung der Schaltverluste und einer Reduzierung der Oberwellen optimieren.
Das Pulsmuster der verketteten Ausgangspannungen URS, UST und UTR kann vorteilhaft Resonanzen minimieren, da die gewählten Pulsbreiten und Pulslückenbreiten die Struktur des Drehstrommotors mit einem vergleichsweise breiten Frequenzspektrum bei niedriger Amplitude anregen. Mechanische Belastungen durch Schwingungen und Geräuschentwicklungen im Wechselrichter und Drehstrommotor können minimiert werden, sie werden deshalb vm Menschen als nicht so störend empfunden.
Die Schaltflanken der gepulsten Spannungen URO, USO und UTO können in einer vorteilhaften Ausführungsform, wie in FIG. 3 gezeigt, eine Flankensteilheit von unter 2 kV/μβ aufweisen. Noch vorteilhafter ist, die Flankensteilheit sogar noch weiter, zum Beispiel auf 1 kV/μβ oder weniger zu senken. Gezeigt sind steigende Schaltflanken 31 , 32 und fallende Schaltflanken 33, 34. Bei den Schaltflanken 31 und 33 handelt es sich um Flanken eines Trapezpulses mit einer gleichmäßigen Flankensteilheit. Vorteilhaft können die Schaltflanken so verändert werden, dass es in einer Spannungsänderungsrate keinen plötzlichen Sprung gibt, ein Betrag der Flankensteilheit also nicht von 0 kV/μβ auf einen maximalen Betrag der Flankensteilheit springt. Solche Ausführungsformen sind in den Schaltflanken 32 und 34 gezeigt, welche in den Anfangs- und Endbereichen 343, 344 gegenüber der Trapezpulse mit den Anfangs- und Endbereichen 333, 334 stetig differenzierbar sein können. Eine solche vorteilhafte Ausführungsform kann zwar in der Regel die Schaltverluste im Wechselrichter erhöhen, sie kann jedoch ebenso die Belastung und die Verluste im Drehstrommotor reduzieren. Die Vorteile der Reduktion der Belastung der Wicklungsisolation und die Verringerung der Störemissionen können die genannten Nachteil überwiegen. FIG.4 zeigt den Leistungsteil eines Wechselrichters mit einer vereinfachten Wechselrichterschaltung, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Wechselrichterschaltung weist drei Wechselrichterzweige 410, 420, 430 auf. Weiterhin weist der Wechselrichter Anschlussmittel auf. Jedem Wechselrichterzweig ist ein Anschlusspunkt in den Anschlussmitteln zugeordnet. So weist ein erster Wechselrichterzweig 410 einen ersten Anschlusspunkt R, ein zweiter Wechselrichterzweig 420 einen zweiten Anschlusspunkt S und ein dritter Wechselrichterzweig 430 einen dritten Anschlusspunkt T auf. Die zwischen den Anschlusspunkten R und S anliegende verkettete Ausgangsspannung URS ist eingezeichnet. Entsprechend liegt zwischen den Anschlusspunkten S und T die verkettete Ausgangspannung UST und zwischen den Anschlusspunkten T und R die verkettete Ausgangspannung UTR an. Der Drehstrommotor ist vereinfacht durch drei sternförmig verbundene Induktivitäten dargestellt. Das gemeinsame Referenzpotenzial 0 der gepulsten Ausgangspannungen URO, US0 und UT0 liegt im Knotenpunkt der drei sternförmig verbunden Induktivitäten an, sodass die gepulsten Ausgangsspannungen URO, US0 und UTO jeweils zwischen den Anschlusspunkten R, S und T sowie dem gemeinsamen Referenzpotenzial 0 anliegen. Ein exemplarischer erster Messpunkt 41 für den Statorstrom IS kann in einem Bereich der Wechselrichterschaltung angeordnet sein, der von allen dreien Statorphasenströmen durchflössen wird. Ein exemplarischer zweiter Messpunkt 42 kann in einem Bereich der drei Wechselrichterzweige angeordnet sein, der von einem der drei Statorphasenströme ISP durchflössen wird. Die Statorphasenströme sind die Ströme, die durch jeweils eine der drei Statorwicklungen fließen. Der Wechselrichter umfasst neben dem Leistungsteil einen Steuerteil. Der Steuerteil kann den Leistungsteil ansteuern um erfindungsgemäße gepulste Spannungen URO, US0 und UTO, sowie erfindungsgemäße verkettete Ausgangspannungen URS, UST und UTR zu erzeugen. Weiterhin kann der Wechselrichter Funktionen und Merkmale gemäß den Aspekten der Erfindung umfassen, wie sie bereits beschrieben wurden. Eine Schlupfkompensation kann die Drehzahl an der Motorwelle und somit am Abtrieb des Drehmomentmotors bei sich änderndem Arbeitsmoment MW stabilisieren, in einem Teillastbereich kann eine Herabsetzung der Pulsbreiten den Wirkungsgrad des Motors erhöhen, und unzulässige Betriebszustände können durch die Messung und Auswertung des Statorstromes IS oder des Statorphasenstromes ISP und/oder einer Motortemperatur und/oder einer Wechselrichtertemperatur erfasst und durch eine vorbestimmte Reaktion zum Schutz des Drehmomentmotors beziehungsweise der angetriebenen Maschine beendet werden. Das Verfahren zum Betrieb des Drehstrommotors in einem stationären Betriebszustand kann eine Erzeugung eines Drehstromsystems mit einem optimierten Pulsmuster nach den Aspekten der Erfindung umfassen, während zum Anfahren und Abbremsen eines Drehstrommotors und insbesondere eines Synchronmotors während Start- und Stoppvorgängen die Erzeugung des Drehstromsystems mittels konventioneller PWM erfolgt. Eine zugehörige Trägerfrequenz kann weniger als 4 kHz betragen. Ein Betreiben des Drehstrommotors in einem Feldschwächbetrieb kann den Wirkungsgrad weiter erhöhen.
Ein Verfahren und/oder ein Wechselrichter nach Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen kann für die Grundfrequenz fG in einem Frequenzbereich unterhalb eines ersten Umschaltfrequenz fU1 und/oder oberhalb einer zweiten Umschaltfrequenz fU2 ein Drehstromsystem mit einer konventionellen PWM umfassen.
Bei der Erzeugung des Drehstromsystems kann bei Überschreiten der ersten Umschaltfrequenz fU1 durch die Grundfrequenz fG von einer konventionellen PWM zu einer Erzeugung gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen gewechselt werden. Ebenso kann bei der Erzeugung des Dreh ström Systems bei Unterschreiten der ersten Umschaltfrequenz fU1 durch die Grenzfrequenz fG von der Erzeugung gemäß Aspekten der Erfindung und/oder Aspekten einer der beispielhaften Ausführungsformen auf die Erzeugung mittels konventioneller PWM gewechselt werden.
FIG. 5 zeigt die Wirkungsgrade zweier beispielhafter Drehstrommotoren bei vergleichbarer Leistung. Die gepunktete Linie 61 zeigt den Wirkungsgrad eines Asynchronmotors einer ersten Bauart mit einer Eisenlänge von 100mm zum Betrieb mit einer Standardnetzfrequenz von 50 Hz. Die Eisenlänge beschreibt die Länge der Erstreckung des Eisenpaketes in einer Richtung entlang der Drehachse. Ein Asynchronmotor einer zweiten Bauart gleicher Motorbaugröße aber mit einer geringeren Eisenlänge von 75mm kann beim Betrieb mit einer Grundfrequenz fG, die mit 70 Hz höher als die Standardnetzfrequenz ist, eine vergleichbare Leistung abgeben. Das verfügbare Drehmoment des Asynchronmotors der zweiten Bauart ist entsprechend geringer. Bei einer abgegebenen Leistung ab etwa 0,6kW - was einer ungefähren Teillast von 50 % entspricht - weist der Asynchronmotor der zweiten Bauart einen durchgängig höheren Wirkungsgrad 62 auf.
Für eine nähere Erläuterung der Verlustleistungen wird auf die Tabellen in FIG. 6 und FIG. 7 Bezug genommen.
Hierbei vergleicht FIG. 6 einen Asynchronmotor zweiten Bauart zum Betrieb mit einer Standardnetzfrequenz von 50 Hz mit einem Asynchronmotor der zweiten Bauart zum Betrieb mit einer erhöhten Grundfrequenz fG von 70 Hz. Obwohl Lüftungs- und Reibungsverluste Pfw und Eisenverluste Pfe ansteigen, verbessert sich der Wirkungsgrad η um über 1 %. Voraussetzung dafür ist unter anderem, dass ein vorgegebenes Lastmoment in beiden Betriebszuständen geringer als das Kippmoment ist und das die Asynchronmotoren die entstehende Gesamtverlustleistung thermisch abführen können.
FIG. 7 vergleicht einen Asynchronmotor der ersten Bauart mit einer Eisenlänge von 100mm zum Betrieb mit einer Standardnetzfrequenz von 50 Hz mit einem Asynchronmotor der zweiten Bauart mit verkürzter Eisenlänge von 75mm zum Betrieb mit einer erhöhten Grundfrequenz fG von 70 Hz. Der Asynchronmotor der ersten Bauart und der Asynchronmotor der zweiten Bauart können jeweils mit einem ersten und einem zweiten Untersetzungsgetriebe verbunden sein, welches den Arbeitsmoment MW mit Arbeitsdrehzahl nW an einem Getriebeabtrieb zur Verfügung stellt. Die Untersetzung des zweiten Untersetzungsgetriebes kann dabei größer sein als die Untersetzung des ersten Untersetzungsgetriebes, sodass bei beiden Getriebeabtrieben ein gleiches Arbeitsmoment MW bei vergleichbarer Arbeitsdrehzahl nW anliegt.
Bei nahezu identischer mechanischer Abgabeleistung von 1 , 1 kW kann der Asynchronmotor der zweiten Bauart gegenüber dem Asynchronmotor der ersten Bauart zwar erhöhte Lüftungs- und Reibungsverluste Pfw, sowie höhere Eisenverluste Pfe aufweisen. Dafür können Ständerwicklungsverluste PsO, Läuferwicklungsverluste PrO und momentabhängige Zusatzverluste PLL sinken. Weiterhin bezeichnet in FIG. 6 und FIG. 8 P1 die elektrische Aufnahmeleistung, PT die addierten Gesamtverluste und P2 die mechanische Abgabeleistung. Die mechanische Abgabeleistungen P2 des Asynchronmotors der ersten Bauart und des Asynchronmotors der zweiten Bauart sind über die Auslastung in FIG. 6 dargestellt. Neben einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung kann der Asynchronmotor kürzer oder kleiner gebaut werden. Weiterhin kann ein Lüfterrad des Drehstrommotors an den veränderten Wirkungsgrad angepasst werden. Die erhöhten Lüftungsverluste können so zumindest teilweise kompensiert werden. Zusätzlich zu einer erhöhten Energieeffizienz können sich deutliche Kosten- und Materialeinsparungen ergeben. Entsprechend wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Drehstrommotors für ein System gemäß Aspekten der Erfindung bereitgestellt. Gemäß diesem Verfahren wir die Eisenlänge gegenüber einem Betrieb des Drehstrommotors bei einer Grundfrequenz kleiner 65 Hz reduziert. Die Reduzierung der Eisenlänge kann vorteilhaft in einem Bereich von 10 % bis 50 %, vorteilhaft bei 25 % liegen.
In FIG. 8 ist ein Gleichspannungsnetz 900 gezeigt. Eine zentrale Netzversorgung 920 enthält einen optionalen Netzfilter 923, einen Gleichrichter 921 und einen optionalen Wechselrichter 922 zur Rückspeisung von Energieüberschüssen aus dem Gleichspannungsnetz in das Versorgungsnetz 901 . Das Gleichspannungsnetz weist Speiseleitungen 902, 903 auf, welche erfindungsgemäße Wechselrichter 931 bis 936 speisen. Die Wechselrichter 931 bis 935 betreiben jeweils einen Drehstrommotor 941 bis 945. Kurze Speiseleitungen zwischen Wechselrichter und Drehstrommotor können elektromagnetischen Emissionen reduzieren. Deshalb ist es vorteilhaft, die Speiseleitungen 902, 902 im Vergleich zu den Speiseleitungen zwischen Wechselrichter und Drehstrommotor lang zu gestalten und den Wechselrichter möglichst am oder im Drehstrommotor anzuordnen.
Ein erstes erfindungsgemäßes System 951 bestehend aus einem erfindungsgemäßen Wechselrichter 935 und einem Drehstrommotor 945 ist dargestellt.
Ein zweites erfindungsgemäßes System 952 bestehend aus einem erfindungsgemäßen Wechselrichter 936 und einer Mehrzahl an Drehstrommotoren 946 bis 948 ist ebenfalls dargestellt. Bei den Drehstrommotoren 941 bis 948 kann es sich um Synchronmotoren oder Asynchronmotoren handeln. Den Drehstrommotoren 941 bis 948 zugehörig können Getriebe sein. Insbesondere kann es sich bei den Drehstrommotoren 941 bis 948 um Getriebemotoren handeln. Die Drehstrommotoren 941 bis 948 können hinsichtlich der gegenüber der Standardnetzfrequenz fST erhöhten Grundnennfrequenz fGnenn optimiert ausgelegt werden. Das betrifft insbesondere die Auslegung der Wicklungen für das neue Spannungs-Frequenzverhältnis, eine Aufwahl einer für die erhöhte Grundfrequenz fG verbesserte Blechqualität und eine optimierte Auslegung eines Lüfters auf der Motorwelle. Die Drehstrommotoren 941 bis 948 können aufgrund der erhöhten Grundfrequenz fG kleiner - also mit einem geringeren Motorvolumen - ausgelegt werden. Die resultierende höhere Motordrehzahl kann durch die Wahl eines Getriebes mit einer höheren Übersetzung als ein Getriebe bei einem vergleichbaren Drehstrommotor, angetrieben von einem Drehstromsystem mit einer Standardnetzfrequenz fST, aufweisen würde, kompensiert werden. Anders formuliert, wird kann erhöhte Motordrehzahl über eine größere getriebeübersetzung wieder an die gewünschte Arbeitsdrehzahl nW angepasst.
An einem Gleichspannungsnetz kann eine beliebige Anzahl von Wechselrichtern betrieben werden, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bereitstellen eines Arbeitsmomentes durch einen Drehstrommotor an einem Gleichspannungsnetz durchzuführen. Ebenfalls können an einem Gleichspannungsnetz eine beliebige Anzahl der ersten und/oder eine beliebige Anzahl der zweiten erfindungsgemäßen Systeme betrieben werden. Durch eine Signalverbindung des Steuerteils des Wechselrichters mit einer zentralen Steuerung einer Anlage kann ein Betriebszustand beziehungsweise entsprechende Kenn- und Betriebsdaten des Motors zentral erfasst, verarbeitet und überwacht werden. Die Kenn- und Betriebsdaten des Motors und/oder des Getriebes können die (beispielsweise kumulierten) Betriebszeiten Lastkollektive umfassen. Die Kenn- und Betriebsdaten des Motors und/oder des Getriebes können in einem Speicher des Steuerteils hinterlegt sein. Bei der Signalverbindung kann es sich um einen Datenbus handeln.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines Drehstrommotors, insbesondere zum Bereitstellen eines Arbeitsmomentes (MW) mit einer Arbeitsdrehzahl (nW) durch einen Drehstrommotor, an einem Gleichspannungsnetz, umfassend:
Erzeugung eines Drehstromsystems mit einer ersten gepulsten Spannung (URO) mit Schaltflanken (321 , 322, 331 , 332), einer gegenüber der ersten gepulsten Spannung (URO) um 120° phasenverschobenen zweiten gepulsten Spannung (USO) mit Schaltflanken (321 , 322, 331 , 332) und einer gegenüber der ersten gepulsten Spannung (URO) um 240° phasenverschobenen dritten gepulsten Spannung (UTO) mit Schaltflanken (321 , 322, 331 , 332), wobei Halbwellen einer Grundwelle von einer ersten verketteten Ausgangspannung (URS), einer zweiten verketteten Ausgangspannung (UST) und einer dritten verketteten
Ausgangspannung (UTR) zumindest einen Hauptpuls aufweisen, und wobei eine gemeinsame Grundfrequenz (fG) der ersten verketteten Ausgangspannung (URS), der zweiten verketteten Ausgangspannung (UST) und der dritten verketteten Ausgangspannung (UTR) größer als 60 Hz und kleiner oder gleich
150 Hz ist, und
Betreiben des Drehstrommotors mit dem erzeugten Drehstromsystem.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Grundfrequenz (fG) zwischen 65 Hz und 130 Hz, insbesondere 70 Hz beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Halbwellen der Grundwelle der ersten verketteten Ausgangspannung (URS), der zweiten verketteten Ausgangspannung (UST) und der dritten verketteten Ausgangspannung (UTR) jeweils eine Zahl von ein bis sieben Trabantenpulspaaren aufweisen, und die Trabantenpulspaare aus jeweils zwei symmetrisch beabstandeten beiderseits des Hauptpulses (1 10, 210) angeordneten identischen Trabantenpulsen (121 , 131 , 122, 132, 123, 133) mit zugehörigen Pulsbreiten (b1 , b2, b3) bestehen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Zahl von Trabantenpulspaaren je Halbwelle zwei bis fünf beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gepulsten Spannungen (URO, USO, UTO) jeweils maximal 2860 Schaltflanken (321 , 322, 331 , 332) pro Sekunde aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, wobei die gepulsten Spannungen (URO, USO, UTO) Schaltflanken (321 , 322, 331 , 332) mit einer Flankensteilheit von weniger als 2kV^s aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen zwei nebeneinanderliegenden Schaltflanken (321 , 322, 331 , 332) der gepulsten Spannungen (URO, USO, UTO) ein zeitlicher Abstand von mindestens 10 s liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend:
Anfahren des Drehstrommotors (941 -948)), wobei es sich bei dem Drehstrommotor (941 -948) um einen Asynchronmotor handelt und wobei die Pulsbreite (bO) des Hauptpulses und die Pulsbreiten (b1 , b2, b3) der Trabantenpulse über eine Zeitspanne (ta) bis zum Erreichen vorbestimmter Pulsnennbreiten gesteigert werden, oder wobei es sich bei dem Drehstrommotor (941 -948) um einen Asynchronmotor oder einen Synchronmotor handelt und wobei die Grundfrequenz (fG) ausgehend von einem Minimalwert (fGmin) bis zum Erreichen einer vorbestimmten Grundnennfrequenz (fGnenn) gesteigert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend:
Überwachung eines Statorstroms (IS) oder eines Statorphasenstromes (ISP) in einem Leistungsteil des Wechselrichters, wobei i. Überschreitung eines vorbestimmten Maximalgrenzwertes (Imax) durch den Statorstrom (IS) oder Statorphasenstrom (ISP) eine Absenkung der Grundfrequenz (fG) auslöst, ii. in einem stationären Bereich, mit dem Statorstrom (IS) oder Statorsphasenstrom (ISP) kleiner als der Maximalgrenzwert (Imax), eine Schlupfkompensation durch eine zum Statorstrom (IS) oder Statorphasenstrom (ISP) zugehörige Erhöhung der Grundfrequenz (fG) stattfindet, sofern es sich bei dem Drehstrommotor (941- 945) um einen Asynchronmotor handelt, und iii. Unterschreitung eines vorbestimmten Minimalgrenzwertes (Imin) durch den Statorstrom (IS) oder Statorphasenstrom (ISP) eine Verringerung der Pulsbreiten (b0-b4) des Hauptpulses (1 10, 210) und der Trabantenpulse (121 , 131 , 122, 132, 123, 133) auslöst.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend:
Auswählen des Drehstrommotors (941-948) mit einem Drehstrommotorabtrieb, einer Polpaarzahl (p) größer/gleich 2 und kleiner/gleich 4 und einem Nennmoment (MN),
Auswählen eines Getriebes mit einem Getriebeantrieb und einem Getriebeabtrieb und einem Übersetzungsverhältnis (i) = Getriebeantriebsdrehzahl / Getriebeabtriebsdrehzahl mit einer Untersetzung |i|>1 ,
Verbinden des Drehstrommotors (941 -948) mit dem Getriebe, wobei der Motorabtrieb den Getriebeantrieb antreiben kann,
Erzeugen des Drehstromsystems mit einer Grundnennfrequenz (fGnenn),
Betreiben des Drehstrommotors (941 -948) mit dem erzeugten Drehstromsystem, wobei das Auswählen der Polpaarzahl (p), des Nennmomentes (MN), des Übersetzungsverhältnisses (i) und einer Grundnenndrehfrequenz (fGnennD) folgende Bedingungen erfüllt:
MN * |i| * η ~ MW fGnennD / (p * |i|) ~ nW.
1 1 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend:
Verwenden einer konventionellen Pulsweitenmodulation unterhalb einer ersten Umschaltfrequenz (fU1 ) und/oder oberhalb einer zweiten Umschaltfrequenz (fU2), wobei die erste Umschaltfrequenz (fU1 ) kleiner ist als die zweite Umschaltfrequenz (fU2).
12. Wechselrichter (931-936) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei der Wechselrichter (931-936) einen Leistungsteil und einen Steuerteil enthält, wobei a. der Steuerteil eine Recheneinheit, einen Speicher, eine analoge Schnittstelle und eine digitale Schnittstelle enthält und geeignet ist den Leistungsteil anzusteuern und vom Leistungsteil Signale zu empfangen, und b. der Leistungsteil einen ersten Wechselrichterzweig (410) zum
Ausgeben der ersten gepulsten Spannung (URO), einen zweiten Wechselrichterzweig (420) zum Ausgeben der zweiten gepulsten Spannung (USO) und einen dritten Wechselrichterzweig (430) zum Ausgeben der gepulsten Spannung (UT0) an Anschlussmitteln (RST) zum Anschluss des Drehstrommotors (941-948) aufweist, und wobei c. im Speicher eine digitale Repräsentation eines oder mehrerer Pulsmuster zur Erzeugung der ersten, zweiten und dritten gepulsten Spannung (URO, USO, UT0) abgelegt ist. 13. Wechselrichter nach Anspruch 1 1 , wobei im Speicher Kenndaten und
Betriebsdaten des Drehstrommotors abgelegt sind.
14. System (951 ) bestehend aus einem Wechselrichter (935) nach einem der Ansprüche 12 oder 13 und einem Drehstrommotor (945), wobei der Wechselrichter (935) in oder an einem Gehäuse des Drehstrommotors (945) angeordnet ist, um mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 an Abtrieben Arbeitsmomente (MW) bereitzustellen.
15. System (952) bestehend aus einem Wechselrichter (936) nach Anspruch 12 oder 13 und einer Mehrzahl von Drehstrommotoren (946-948), wobei der Wechselrichter (952) die Drehstrommotoren (946-948) mit dem Drehstromsystem speist, um mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 an Abtrieben Arbeitsmomente (MW) bereitzustellen.
16. Verfahren zur Herstellung eines Drehstrommotors (945-948) für ein System (591 , 592) nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Drehstrommotor (945-948) ein Asynchronmotor ist, umfassend: Reduzieren der Eisenlänge, welche die Distanz zwischen Kurzschlussringen eines Rotors des Drehstrommotors (945-948) ist, gegenüber einem Asynchronmotor, der für den Betrieb in einem Bereich der Grundfrequenz von 50 Hz bis 60 Hz ausgelegt ist.
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