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Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebssteuereinrichtung
für einen stromrichtergespeisten, mehrphasigen Motor gemäß
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Am Markt werden zunehmend Antriebe für hohe
Geschwindigkeiten/Drehzahlen zum Einsatz gebracht. Dies trifft insbesondere
für die Werkzeugmaschinenbranche zu. Drehzahlen bis zu 20.000
Umdrehungen/min sind bereits praxiserprobt. Für die
Hochgeschwindigkeitsbearbeitung sind Drehzahlen jenseits dieser
20.000 Umdrehungen/min im Gespräch.
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Generell, aber insbesondere diese hohen Geschwindigkeiten
bringen es mit sich, dass die Motoren beim Abbremsen
erhebliche Energie zurückspeisen, die im Normalbetrieb durch ein
rückspeisefähigen netzseitigen Stromrichter in das Netz
zurückgespeist wird. Im Störungsfall bzw. bei Netzausfall kann
diese Energie nicht mehr zurückgespeist werden, was
insbesondere bei diesen hochdrehenden Motoren zu erheblichen
Überspannungen am Spannungszwischenkreis eines dem Motor
vorgeschalteten Umrichters führt und diesen zerstören kann.
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Um dieses Problem zu lösen, wurde bisher ein Modul
eingesetzt, das in der Lage ist, eine auftretende Überspannung
abzubauen. Dieses Modul 2, das auch als Voltage-Protection-
Modul (VPM) bezeichnet wird, ist gemäß Fig. 1 zwischen den
Eingängen eines mehrphasigen Motors 4 und den Ausgängen eines
motorseitigen Stromrichters 6 eines Umrichters 8 geschaltet.
Außerdem ist dieses Modul 2 mittels einer Steuerleitung 10
mit einem Ausgang einer Antriebssteuereinrichtung 12 des
motorseitigen Stromrichters 6 verbunden. Als Umrichter 8 ist
ein Spannungszwischenkreis-Umrichter vorgesehen. Aus
Übersichtlichkeitsgründen ist der Spannungszwischenkreis, der den
motorseitigen Stromrichter 6 und einen netzseitigen
Stromrichter 14 gleichspannungsseitig verbindet, nicht näher
dargestellt. Als netzseitiger Stromrichter 14 ist ein
rückspeisefähiger Stromrichter vorgesehen. Mittels diesen
netzseitigen Stromrichter 14 kann bei Abbremsen des Motors 4 Energie
zurück in ein speisendes Netz 16 geschickt werden.
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Mittels einer Überspannungsüberwachungs-Einrichtung wird
geprüft, ob ein ermittelter Spannungs-Istwert UZW des
Spannungszwischenkreises des Umrichters 8 einen vorbestimmten
Grenzwert UZWref übersteigt. Sobald eine unerlaubte
Überspannung auftritt, wird das Modul 2 aktiviert, indem die
Antriebssteuereinrichtung 12 Steuersignale über die
Steuerleitung 10 schickt. In diesem Modul sind wenigstens mehrere
abschaltbare Leistungshalbleiterschalter mit ihren
Ansteuerungen derart verschaltet, dass diese die Motorzuleitungen, die
durch das Modul 2 geschliffen sind, kurzschließen. Dieses
Modul 2 kann unter Umständen auch noch Widerstände aufweisen,
damit die Verlustleistung nicht alleine an den abschaltbaren
Leistungshalbleiterschaltern abfällt.
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Der Nachteil dieses Moduls 2 besteht darin, dass dieses Modul
2 annähernd den Platz des motorseitigen Stromrichters 6
benötigt. Außerdem muss das Modul 2 leistungsmäßig mit den
Ausgängen des motorseitigen Stromrichters 6 und den Eingängen
des mehrphasigen Motors 2 und steuerungsseitig mit den
Ausgängen der Antriebssteuereinrichtung 12 des motorseitigen
Stromrichters 6 verbunden werden. Dabei kann es vorkommen,
dass ein Schaltungsfehler auftritt.
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Eine gattungsgemäße Antriebssteuereinrichtung 12 ist aus der
europäischen Offenlegungsschrift 0 742 637 bekannt. Eine
derartige Antriebssteuereinrichtung 12 ist in der Fig. 2 näher
dargestellt. Danach ist ein mehrphasiger Motor 4 mit den
Phasenausgängen L1, L2 und L3 des motorseitigen Stromrichters 6
elektrisch leitend verbunden. Dieser Stromrichter 6 weist
sechs abschaltbare Leistungshalbleiterschalter T1, . . ., T6 auf,
von denen drei in der oberen Brückenseite und drei in der
unteren Brückenseite angeordnet sind. Als abschaltbare
Stromrichterventile T1 bis T6 sind
Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) vorgesehen. Jeweils ein abschaltbarer
Leistungshalbleiterschalter T1 und T2 bzw. T3 und T4 bzw. T5 und T6
der oberen und unteren Brückenseite des Stromrichters 6
bilden jeweils einen Brückenzweig, die zwischen einer
Plusschiene +Ud und einer Minusschiene -Ud eines nicht näher
dargestellten Spannungszwischenkreises geschaltet sind. Die
einzelnen abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter T1 bis T6
werden jeweils über eine potentialtrennende Einrichtung 18
angesteuert. Wegen der Übersichtlichkeit sind von diesen
sechs Einrichtungen 18 nur zwei dargestellt. Als
potentialtrennende Einrichtungen 18 sind Optokoppler vorgesehen.
Mittels dieser Einrichtungen 18 wird der Stromrichter 6
(Leistungsteil) mit der Antriebssteuereinrichtung 12
(Reglungsteil) verbunden.
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Die Antriebssteuereinrichtung 12 weist eine Steuereinrichtung
20 auf, welche die Signale zur Ansteuerung der Optokoppler 18
und damit zum Schalten der abschaltbaren Stromrichterventile
T1 bis T6 des Stromrichters 6 liefert. Diese sind anhand von
Signalleitungen gezeigt, welche von der Steuereinrichtung 20,
insbesondere ein Pulsweitenmodulator, in Form von drei
jeweils mit einer Diode und einen Widerstand in Serie
versehenen Signalleitung für die obere Brückenseite und analog dazu
mit drei gleichen Signalleitungen für die untere Brückenseite
versehen sind. Für die beiden gezeigten Optokoppler 18 ist
die Ansteuerung exemplarisch dargestellt. Des weiteren weist
diese Antriebsansteuereinrichtung 12 ein Mittel 22 zur
Impulslöschung auf, welche die Energiezufuhr zum elektrischen
Antrieb durch das Löschen der Impulse am motorseitigen
Stromrichter 6 unterbrechen. Dieses wird durch ein Signal S1
angesteuert. Dieses Mittel 22 zur Impulslöschung weist zusätzlich
einen weiteren Optokoppler auf, der mittels eines
Statussignals SAKB den Zustand des Mittels 22 anzeigt. Dieses wird zum
einen zur Steuereinrichtung 20 sowie zum anderen zu einer
Einrichtung 24 zur Ankerkurzschlussbremsung geführt.
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Im Fehlerfall wird eine der beiden Brückenseiten in sicherer
Technik gesperrt, während die andere Brückenseite durch
getaktete Ansteuerung der abschaltbaren
Leistungshalbleiterschalter T2, T4, T6 zugeschaltet werden, dass mindestens zwei
Phasen des mehrphasigen Motors 4 kurzgeschlossen werden.
Ebenso gut ist es jedoch auch möglich, die untere
Brückenseite zu sperren und die obere Brückenseite des Stromrichters 6
getaktet anzusteuern. Durch die Einrichtung 24 zur
Ankerkurzschlussbremsung werden im Fehlerfall nun zur erforderlichen
Notbremsung alle Transistoren T2, T4 und T6 der unteren
Brückenseite des Stromrichters 6 durchgeschaltet, so dass die
drei Phasen des elektrischen Motors 4 über die Minusschiene
-Ud kurzgeschlossen werden. Über die so hergestellte
Kurzschlussbrücke zwischen den drei Phasen des elektrischen
Motors 4 treibt die verbleibende kinetische Energie des
mehrphasigen Motors 4 den Bremsstrom. Durch die getaktete
Ansteuerung mittels der Taktfrequenz f können die
Leistungshalbleiterschalter T2, T4 und T6 der unteren Brückenseite des
Stromrichters 6 nun so gezielt durchgeschaltet werden, dass
dadurch den Kurzschluss herbeigeführte Bremsmoment geeignet
variiert werden kann. Diese Ankerkurzschlussbremsung dient
allein dem Zwecke, in Notfällen, beispielsweise bei Not-Aus,
Motoren schnellstmöglichst zum Stillstand zu führen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte
Antriebssteuereinrichtung derart weiterzubilden, dass auf ein
externes Voltage-Protection-Modul verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird zusammen mit den Merkmalen des
Oberbegriffs erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Antriebssteuereinrichtung zusätzlich eine
Überspannungserkennungs-Einrichtung und eine Auslöseschaltung
aufweist, wobei die Auslöseschaltung das Ausgangssignal der
Überspannungserkennungs-Einrichtung und ein Auslösesignal für
die Einrichtung zur Ankerkurzschlussbremsung logisch
verknüpft, kann die Einrichtung zur Ankerkurzschlussbremsung
auch zum Abbau einer Überspannung im Spannungszwischenkreis
des Umrichters verwendet werden. Ein so ertüchtigter
Umrichter trägt dazu bei, dass weniger Komponenten benötigt werden,
wodurch ein Antriebssystem preisgünstiger und funktionssicher
wird. Außerdem entfällt auch die Montage des zusätzlichen
Voltage-Protection-Moduls. Damit die bereits vorhandene
Einrichtung zur Ankerkurzschlussbremsung neben Not-Aus-Fällen
auch als Überspannungsschutz genutzt werden kann, ist
lediglich eine Überspannungsschutzerkennung und eine
Auslöseschaltung erforderlich. Somit ist die Funktion des
Voltage-Protection-Moduls mit minimalen Aufwand in der
Antriebssteuereinrichtung eines Umrichters integrierbar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Antriebssteuereinrichtung
sind den Unteransprüchen 2 bis 8 zu entnehmen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch
veranschaulicht ist.
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Fig. 1 zeigt eine bisherige Lösung für das Problem
Überspannungsschutz, in der
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Fig. 2 ist eine bekannte Antriebssteuereinrichtung schematisch
veranschaulicht, die
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Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung des Problems
Überspannungsschutz, wogegen in der
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Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Antriebssteuereinrichtung schematisch dargestellt ist.
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Die Fig. 3 zeigt einen Spannungszwischenkreis-Umrichter 8 mit
einer Antriebssteuereinrichtung 12, die einen
Voltage-Protection-Ergänzungseinrichtung 26 aufweist. Diese Einrichtung 26,
die auch als VP-Ergänzungseinrichtung 26 bezeichnet wird, ist
in der Fig. 4 näher dargestellt. Mittels dieser
VP-Ergänzungseinrichtung 26 kann die Einrichtung 24 zur
Ankerkurzschlussbremsung zusätzlich auch zum Abbau einer Überspannung im
Spannungszwischenkreis des Umrichters 8 verwendet werden.
Somit ersetzt diese VP-Ergänzungseinrichtung 26 das Voltage-
Protection-Modul 2 nach Fig. 1. Durch den Wegfall des
VP-Moduls 2, entfällt auch dessen Montage. Dadurch wird für den
Umrichter 8 weniger Platz benötigt und das Antriebssystem
wird funktionssicherer und preiswerter.
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Gemäß Fig. 4 weist diese VP-Ergänzungseinrichtung 26 der
Antriebssteuereinrichtung 12 eine
Überspannungserkennungs-Einrichtung 28 und eine Auslöseschaltung 30 auf. Diese
Antriebssteuereinrichtung 12 weist außerdem eine Steuereinrichtung
20, eine Einrichtung 24 zur Ankerkurzschlussbremsung und eine
Regeleinrichtung 32 auf. Diese Regeleinrichtung 32 generiert
in Abhängigkeit eines oder mehrerer Sollwerte, die aus
Übersichtlichkeitsgründen nicht näher dargestellt sind, eine
Stellgröße us, die mittels der Steuereinrichtung 28,
insbesondere einen Pulsweitenmodulator, Steuersignale für den
motorseitigen Stromrichter 6 generiert. Als Regeleinrichtung
kann eine herkömmliche feldorientierte Regelung vorgesehen
sein. Diese Antriebssteuereinrichtung 12 ist mittels der
Optokoppler 18 von den Steuereingängen G1 bis G6 der
abschaltbaren Stromrichterventile T1 bis T6 des motorseitigen
Stromrichters 6 potentialmäßig getrennt. Aus
Übersichtlichkeitsgründen sind von diesen sechs Optokopplern 18 nur zwei näher
dargestellt. Die bisherige Antriebssteuereinrichtung 12 weist
bereits für den Not-Aus-Fall die Einrichtung 24 zur
Ankerkurzschlussbremsung auf. Diese Einrichtung 24 wird gemäß Fig.
2 in Abhängigkeit eines generierten Statussignals SAKB
angesteuert. Auch diese Einrichtung 24 ist mittels der
Optokoppler 18 der abschaltbaren Stromrichterventile T2, T4 und T6
der unteren Brückenseite des motorseitigen Stromrichters 6
mit diesem potentialgetrennt verbunden.
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Gemäß der Erfindung ist dieser Einrichtung 24 zur
Ankerkurzschlussbremsung die VP-Ergänzungseinrichtung 26
vorgeschaltet. Dabei ist das generierte Statussignal SAKB einem Eingang
der Auslöseschaltung 30 zugeführt. Der zweite Eingang dieser
Auslöseschaltung 30 ist mit einem Ausgang der
Überspannungserkennungs-Einrichtung 28 verknüpft. An den beiden Eingängen
dieser Überspannungserkennungs-Einrichtung 28 steht ein
ermittelter Spannungs-Istwert UZW des Spannungszwischenkreises
des Umrichters 8 und ein vorbestimmter Grenzwert UZWref an.
Sobald der ermittelte Spannungs-Istwert UZW, der auch für die
Steuereinrichtung 20 verwendet wird, diesen vorbestimmten
Grenzwert UZWref übersteigt, steht am Ausgang der
Überspannungserkennungs-Einrichtung 28 ein Signal SK an. Als
Überspannungserkennungs-Einrichtung 28 ist beispielsweise ein
Komparator vorgesehen, wogegen als Auslöseschaltung 30 ein
Logik-Gatter, insbesondere ein ODER-Gatter, vorgesehen ist.
Wenn eines der beiden am ODER-Gatter anstehenden Signale SK
und SAKB oder beide sein Ausgangspotential von logisch Null
auf logisch Eins wechselt, generiert die Auslöseschaltung 30
ein Auslösesignal SI, wodurch die Einrichtung 24 zur
Ankerkurzschlussbremsung aktiviert wird. D. h., die abschaltbaren
Stromrichterventile T2, T4 und T6 des motorseitigen
Stromrichters 6 werden entweder dauerhaft eingeschaltet oder
getaktet eingeschaltet. Die abschaltbaren Stromrichterventile
T1, T3 und T5 werden gesperrt, so dass keine
Brückenkurzschlüsse auftreten. Anstelle der abschaltbaren
Stromrichterventile T2, T4 und T6 können auch die abschaltbaren
Stromrichterventile T1, T3 und T5 von der Einrichtung 24 der
Ankerkurzschlussbremsung angesteuert werden, wobei dann die
abschaltbaren Stromrichterventile T2, T4 und T6 gesperrt werden
müssen.
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Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der
Antriebssteuereinrichtung 12 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 8
kann die bereits vorhandene Einrichtung 24 zur
Ankerkurzschlussbremsung auch zum Abbau einer Überspannung im
Spannungszwischenkreis des Umrichters 8 verwendet werden. Somit
kann auf ein Voltage-Protection-Modul 2 mit seinen Nachteilen
verzichtet werden.