DE10011518A1

DE10011518A1 - Rückspeisefähiger Umrichtermotor

Info

Publication number: DE10011518A1
Application number: DE10011518A
Authority: DE
Inventors: Manfred Bruckmann; Bernhard Piepenbreier; Walter Springmann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2001-09-27
Also published as: US20010021116A1; DE20004437U1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen rückspeisefähigen Umrichtermotor, bestehend aus einem Motor (2) und einem Umrichter (8). Erfindungsgemäß ist der Umrichter (8) ein selbstgeführter Direktumrichter. Somit erhält man einen kompakten rückspeisefähigen Umrichtermotor, der nun als Vier-Quadrantenantrieb verwendet werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen rückspeisefähigen Um richtermotor, bestehend aus einem Motor und einem Umrichter

Seit einigen Jahren sind drehzahlveränderbare Antriebe in der Kompaktform als integrierter Umrichtermotor, bei dem Umrich ter und Motor eine bauliche Einheit bilden, auf dem Markt. Diese platzsparende Lösung vermeidet lange Motorleitungen mit pulsfrequenten Leistungssignalen.

Als Motor wird ein Normasynchronmotor und als Umrichter ein Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis und Diodenein speisung verwendet. Der Spannungszwischenkreis-Umrichter be nötigt zur kapazitiven Glättung der Zwischenkreisspannung ei nen relativ groß dimensionierten Kondensator, der sich in heutiger Technik nur mit Elektrolytkondensatoren realisieren lässt. Dadurch weist dieses Konzept folgende Nachteile auf:

- begrenzte Lebensdauer der Elektrolytkondensatoren,
- die Elektrolytkondensatoren bedingen ein großes Volumen des Umrichters,
- keine Rückspeisung möglich,
- generatorisches Bremsen nur mit einer Widerstands-Chopper- Bremseinheit möglich, wodurch sich das Bauvolumen des Um richtermotors vergrößert.

Durch die Zusammenbindung von zwei Verlustleistungsquellen zu einer mechanischen Einheit erhöht sich die Verlustleistungs dichte und daher die Temperatur der Einheit. Allerdings domi nieren in der Regel die Motorverluste. Durch die Erhöhung der Temperatur der Einheit, werden höhere Anforderungen an die Bauelemente gestellt. Da der nasse Elektrolyt des Kondensa tors des Spannungszwischenkreis-Umrichters bei erhöhter Tem peratur in einer beschleunigten Weise altert, verbietet sich ein Betrieb ab einer Umgebungstemperatur von etwa 80°C, da selbst bei hochwertigen Elektrolytkondensatoren die Brauch barkeitsdauer nicht den gestellten Anforderungen genügt.

Bei neueren Umrichtermotoren werden die üblichen, großen Elektrolytkondensatoren durch kostengünstige Wechselstrom- Kondensatoren ersetzt und gleichzeitig die Zwischenkreiskapa zität des Spannungszwischenkreis-Umrichters verringert. Diese Kondensatoren sind auch weniger temperaturempfindlich. Diese Reduzierung der Zwischenkreis-Kapazität führt jedoch zu einer geringeren mittleren Zwischenkreisspannung, was wiederum die maximale Motor-Ausgangangsspannung verringert, so dass der Feldschwächbereich dieses Umrichtermotors früher beginnt.

Ohne Elektrolytkondensatoren kann auch im generatorischen Be trieb (Bremsbetrieb) keine nennenswerte Energie im Zwischen kreis gepuffert werden. Da deren Kapazität zu gering ist, steigt die Zwischenkreisspannung zu rasch an, so dass ein Überspannungsschutz anspricht. Diese Umrichtermotoren sind daher überwiegend für motorischen Betrieb geeignet, bei spielsweise Pumpenantrieb. Deshalb muss, wo ein generatori scher Bremsvorgang nötig ist, eine Widerstands-Chopper-Brems einheit vorgesehen sein. Diese Einheit wird beispielsweise auf den Umrichter montiert, wodurch mehr Platz beansprucht wird. Dies widerspricht dem Konzept eines kompakten Antriebs.

Damit man einen kompakten Antrieb erhält, muss beim Umrich termotor der Umrichter extrem raumsparend aufgebaut werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Umrichtermotor so weiterzubilden, dass ein kompakter Antrieb entsteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Umrichter ein selbstgeführter Direktumrichter verwendet wird.

Durch den Einsatz eines selbstgeführten Direktumrichters, der auch als Matrixumrichter bezeichnet wird, verringert sich das Bauvolumen des Umrichters so sehr, dass dieser in einem ver größerten Klemmenkasten des Motors integriert werden kann. Der Matrixumrichter ist ein Frequenzumrichter ohne Zwischen kreis. Durch die Anordnung der leistungselektronischen Schal ter in einer 3 × 3-Schaltermatrix werden die Eingangsphasen mit den Ausgangsphasen verbunden. Der selbstgeführte Direktum richter bietet den Vorteil, dass er bedingt durch die Topolo gie rückspeisefähig ist und abhängig von einer Steuerung na hezu sinusförmige Netzstromaufnahme erreicht. Elektrolytkon densatoren mit den eingangs erwähnten Problemen hinsichtlich der Brauchbarkeitsdauer finden im Leistungsteil des selbstge führten Direktumrichters keine Anwendung.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Umrichtermotors ist als Umrichter ein selbstgeführter Direktumrichter vorge sehen, der als Überspannungs-Schutzvorrichtung netz- und lastseitig dreiecksverschalteten Varistoren aufweist. Somit ist ein robuster Matrixumrichter in einem vergrößerten Klem menkasten des Motors untergebracht, wobei selbst bei NOT-AUS eine auftretende Überspannung nicht zu einer Zerstörung der leistungselektronischen Schalter führt.

In den Unteransprüchen 4 bis 7 werden Möglichkeiten einer Platzierung des selbstgeführten Direktumrichters am Motor be ansprucht.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines erfin dungsgemäßen Umrichtermotors schematisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt einen bekannten Umrichtermotor in perspek tivischer Darstellung, die

Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines selbstgeführten Direktumrichters, in der

Fig. 3 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild einer vor teilhaften Ausführungsform eines Umrichtermotors nach der Erfindung dargestellt und die

Fig. 4 bis 9 zeigen verschiedene Variationen für die Platzie rung des Umrichters am Motor.

Ein bekannter Umrichtermotor gemäß Fig. 1 ist aus der DE 196 18 996 A1 bekannt. Mit 2 ist eine elektrische Maschine bezeichnet, bei der auf der Oberseite ihres Maschinengehäuses 4 ein Klemmenkasten 6 angeordnet ist. Mit diesem Klemmenkas ten 6 ist ein Umrichter 8, insbesondere ein Spannungszwi schenkreis-Umrichter, zur Drehzahlsteuerung der Maschine 2 verbunden. Dieser Umrichtertyp wird im Handel auch als Fre quenzumrichter bezeichnet. Auf der der Antriebsseite der Ma schine 2 abgekehrten Stirnseite ist ein von einer Lüfterhaube 10 umgebener Maschinenlüfter auf der Maschinenwelle angeord net. An der Lüfterhaube 10 ist eine nach radial außen weisen de Ausbuchtung 12 angeformt, die in ihrer radialen Höhe und in ihrer umfangsmäßigen Erstreckung der Höhe und Breite des Umrichter 8 angepasst ist. Mittels dieser Ausbuchtung wird ein Teil des Kühlluftstromes zum Umrichter 8 geleitet. Da durch wird eine verbesserte Kühlung der Leistungselektronik des Umrichter 8 erreicht. Die elektrische Maschine 2 ist ein Normasynchronmotor, insbesondere ein Drehstrom-Niederspan nungsmotor.

Als Umrichter 8 ist ein Spannungszwischenkreis-Umrichter mit pulsweitenmodulierten Ausgängen vorgesehen. Dieser Spannungs zwischenkreis-Umrichter weist gemäß dem Blockschaltbild der Abb. 15 des Siemens-Kataloges DA 64, 1998/99, mit dem Titel "MICROMASTER, MICROMASTER Vector, MIDIMASTER Vector, COMBIMASTER", eine 3-Phasen-Diodenbrücke mit als Zubehör er hältlichen Netzfilter, hochtemperaturbeständige Zwischen kreiskondensatoren und einen Pulswechselrichter mit Insula ted-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) auf. Als Regel- und Steuereinrichtung ist ein Mikroprozessor vorgesehen.

In dieser Fig. 1 ist mittels unterbrochener Linien der Monta geplatz einer Pulswiderstandsbremse angedeutet. Diese Pulswi derstandsbremse wird benötigt, sobald der Motor 2 generato risch gebremst wird. Durch das generatorische Bremsen erfolgt eine Motorrückspeisung, die zu einem Spannungsanstieg im Gleichspannungs-Zwischenkreis führt. Sobald eine vorbestimm ter Schwellwert erreicht wird, schaltet die Elektronik der Pulswiderstandsbremse den Bremswiderstand parallel zum Zwi schenkreiskondensator. Die Rückspeiseenergie breitet sich als Wärme im Widerstand aus, wodurch so eine Überspannungsauslö sung verhindert wird. Während der Widerstand eingeschaltet ist, steigt seine Temperatur an. Wird eine vorbestimmte Schwelltemperatur erreicht, begrenzt die Elektronik die Leis tung im Widerstand auf einen vorbestimmten Wert der Spitzen leistung. Steigt seine Temperatur weiter an, so wird der Wi derstand komplett ausgeschaltet. Ein Bild einer derartigen Pulswiderstandsbremse ist in der Abb. 8.8.3 des genann ten Kataloges dargestellt. Außerdem wird in der Abb. 6 dieses Kataloges die Bemaßungen des Umrichters, des Umrich ters mit einer mechanischen Bremssteuerung und/oder mit einer Widerstandsbremseinheit angegeben, aus denen zu entnehmen ist, wie sich die Bauhöhe des Umrichters 8 und damit des Um richtermotors ändert.

Die Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines selbstgeführten Direktumrichters. Dieser selbstgeführte Di rektumrichter ist ein Frequenzumrichter ohne Zwischenkreis. Durch die Anordnung der leistungselektronischen Schalter 14 in einer 3 × 3-Schaltermatrix werden die drei Eingangsphasen R, S und T mit den drei Ausgangsphasen U, V und W verbunden. Dieser selbstgeführte Direktumrichter bietet den Vorteil, dass er bedingt durch die Topologie rückspeisefähig ist und durch eine entsprechend ausgeprägte Steuerung sinusförmige Netzströme erreicht. Als bidirektionaler Schalter 14 der Schaltermatrix kann einerseits ein in einer Diodenbrücke 16 integrierter Halbleiterschalter 18 und andererseits zwei an tiseriell geschaltete Halbleiterschalter 20 und 22 verwendet werden. Die beiden antiseriell geschalteten Halbleiterschal ter 20, 22 eines bidirektionalen Leistungsschalters 14 der Schaltermatrix sind entweder in der Topologie "Common Emitter Mode" oder "Common Collector Mode" ausgeführt. Als Halblei terschalter 18 bzw. 20, 22 wird vorzugsweise ein IGBT verwen det. Durch die Ansteuerung der Halbleiterschalter 18 bzw. 20, 22 der Leistungsschalter 14 der Schaltermatrix wird jeweils ein Strompfad in einer durch die Anordnung der Halbleiter schalter 18 bzw. 20, 22 bestimmten Richtung durchgeschaltet. Eine Phase des Matrixumrichters ist eine Anordnung von drei bidirektionalen Leistungsschalter 14, die eine Verbindung von drei Netzphasen R, S und T zu jeweils einer der Ausgangspha sen U, V und W herstellen.

Da der Matrixumrichter keine Freilaufkreise besitzt, wie ein Spannungszwischenkreis-Umrichter, treten insbesondere im Fal le einer aufgrund eines NOT-AUS generierten Impulssperre (Ab schalten der Ansteuerimpulse aller Halbleiterschalter 18 bzw. 20, 22 der Leistungsschalter 14) aufgrund der im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten hohe Sperrspannungen an den Halb leiterschaltern 18 bzw. 20, 22 auf. Diese Überspannungen kön nen auch infolge einer falsch eingeleiteten Kommutierungsse quenz oder durch Ausfall der Ansteuerung von bidirektionalen Leistungsschaltern 14 auftreten. In diesen genannten Fällen wird jedes Mal der Ausgangsstromkreis unterbrochen. Die Un terbrechung des Ausgangsstromkreises in Verbindung mit den im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten verursacht die Über spannung, die die Zerstörung der Halbleiterschalter 18 bzw. 20, 22 zur Folge haben können.

Aus der Literatur bezüglich Matrixumrichter sind einige Maß nahmen gegen das erwähnte Problem bekannt, die mehr oder we niger Platz beanspruchen. Aus Sicht eines möglich geringen Platzbedarfes für den Umrichter 8 beim Umrichtermotor kommen nur Überspannungsschutzvorrichtungen zum Einsatz, die den ge wonnen Raum durch den Ersatz des Spannungszwischenkreis-Umrichters durch einen selbstgeführten Direktumrichter nicht wieder verbrauchen.

Diesem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 ist ebenfalls zu entneh men, dass ein selbstgeführter Direktumrichter netzseitig mit einem LC-Filter 24 verknüpft ist. Dieses LC-Filter 24 sorgt dafür, dass durch Schalthandlungen bedingte Spannungsspitzen an den Leistungsschaltern 14 begrenzt bleiben. Zusätzlich werden dadurch definierte Netzverhältnisse erreicht und der gepulste Eingangsstrom des Matrixumrichters wird geglättet.

Dieses LC-Filter 24 weist Kommutierungskondensatoren 26 und Induktivitäten 28 auf. Die Kommutierungskondensatoren 26 sind zwischen den Eingangsphasen R, S und T verschaltet. Diese Kondensatoren 26 können auch als Stern verschaltet sein. Zwi schen diesen Kondensatoren 26 und den netzseitigen Anschlüs sen sind die Induktivitäten 28 in den Leitungen geschaltet. Dadurch werden die Ladeströme für die Kommutierungskondensa toren 26 geglättet. Als Kondensatoren 26 werden Folienkonden satoren verwendet, die eine wesentlich größere Lebensdauer als Elektrolytkondensatoren aufweisen. Erst dadurch lässt sich die gewünschte hohe Brauchbarkeitsdauer erreichen. Da diese Kondensatoren 26 sehr niedrige Kapazitätswerte aufwei sen, beanspruchen diese Kondensatoren 26 kaum Platz, so dass der selbstgeführte Direktumrichter sehr kompakt wird.

In der Fig. 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des selbstgeführten Direktumrichters nach Fig. 2 dargestellt. Die se vorteilhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 dadurch, dass dreiecksverschalte te Varistoren 30 und 32 als eine Überspannungs-Schutzvorrich tung 34 vorgesehen ist. Bei diesen Varistoren 30 und 32 han delt es sich um handelsübliche. Jeder Varistor 30 bzw. 32 ist jeweils elektrisch parallel zu zwei bidirektionalen Leis tungsschaltern 14 des Matrixumrichters geschaltet. Im Fehler fall "NOT-AUS", bei dem alle Halbleiterschalter 18 bzw. 20, 22 der bidirektionalen Leistungsschalter 14 des Matrixumrichters gesperrt sind, wird mittels der Varistoren 30 und 32 je weils ein Strompfad angeboten, um die geringe rückgespeiste Energiemenge der Asynchronmaschine 2 des Umrichtermotors zu vernichten. Dadurch kann keine Überspannung an den Halblei terschaltern 18 bzw. 20, 22 der bidirektionalen Leistungs schalter 14 des selbstgeführten Direktumrichters mehr auftre ten.

Somit erhält man einen sehr kompakten Umrichter 8, der bei spielsweise nun in einem gering vergrößerten Klemmenkasten 6 der elektrischen Maschine 2 integriert werden kann.

Dieser kompakte Umrichter 8 kann gemäß Fig. 4 auch in einem Gehäuse integriert werden, das an einer Stirnseite der Ma schine 2 angebracht ist. Dieses Gehäuse ist derart gestaltet, dass dessen Querschnittsfläche gleich der Querschnittsfläche der Maschine 2 ist. Der kompakte Umrichter 8 kann gemäß der Fig. 5 und 6 auch in einem Gehäuse untergebracht werden, das um einen Teil der Oberfläche des Maschinengehäuses 4 der Ma schine 2 angebracht ist. Dadurch wird kaum die Querschnitts fläche der Maschine 2 erhöht. Dieses Gehäuse kann gemäß der Fig. 7 und 8 auch um die gesamte Oberfläche des Maschinenge häuses 4 der Maschine 2 angeordnet werden. Dadurch kann die gesamte Oberfläche des Maschinengehäuses 4 der Maschine 2 als Kühlfläche benutzt werden. Es ist sogar nach Fig. 9 eine In tegration des kompakten Umrichters 8 in die Maschine 2 mög lich.

Da der selbstgeführte Direktumrichter von seiner Topologie her rückspeisefähig ist, erhält man mit dem Umrichtermotor nach der Erfindung nun einen kompakten Vier-Quadranten-An trieb. Außerdem wird keine Pulswiderstandsbremseinheit mehr benötigt, mit der die rückgespeiste Energie in Wärme umge setzt wird. Durch die Kompaktheit des Umrichters 8 fallen nun die Leitungen zwischen dem Pulswechselrichter des Umrichters 8 und den Motorwicklungen der Maschine 2 vollständig weg, so dass auch keine Reflexionsvorgänge mehr auftreten. Dadurch sinkt der Aufwand für eine Funk-Entstörung und die Halblei terschalter 18 bzw. 20, 22 der Leistungsschalter 14 des selbstgeführten Direktumrichters können, bezogen auf die Schaltleistung, kleiner gewählt werden. Außerdem entfallen die Ausgangsfilter, auch als du/dt-Filter bezeichnet.

Claims

1. Rückspeisefähiger Umrichtermotor, bestehend aus einen Mo tor (2) und einem Umrichter (8), die eine bauliche Einheit bilden, wobei der Umrichter (8) ein selbstgeführter Direktum richter ist.

2. Rückspeisefähiger Umrichtermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstgeführte Direktumrichter als Überspannungs-Schutzvorrichtung (34) netz- und lastseitig jeweils dreiecksverschaltete Varistoren (30,32) aufweist.

3. Rückspeisefähiger Umrichtermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (2) ein Normasynchronmotor ist.

4. Rückspeisefähiger Umrichtermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (2) ein Synchronmotor ist.

5. Rückspeisefähiger Umrichtermotor nach einem der vorgenann ten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstgeführte Direktumrichter in einem vergrößerten Klemmenkasten (6) des Motors (2) integriert ist.

6. Rückspeisefähiger Umrichtermotor nach einem der vorgenann ten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstgeführte Direktumrichter stirnseitig am Motor (2) lösbar befestigt ist.

7. Rückspeisefähiger Umrichtermotor nach einem der vorgenann ten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstgeführte Direktumrichter in einem Gehäuse integriert ist, das wenigs tens teilweise entlang am Umfang des Motors (2) angeordnet ist.

8. Rückspeisefähiger Umrichtermotor nach einem der vorgenann ten Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selbstgeführte Direktumrichter im Motor (2) integriert ist.