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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für eine Zerkleinerungsvorrichtung wobei die Antriebseinheit einen Antriebsstromrichter und eine Schaltvorrichtung umfasst, wobei die Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von internen Größen der Antriebseinheit umgeschaltet wird. In nebengeordneten Aspekten betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Antriebseinheit.
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In Anwendungen wie z. B. in einer Zerkleinerungsmaschine für Abfälle, Papier, Holz, Bauschutt o. ä. müssen an den Zerkleinerungswerkzeugen hohe Kräfte oder Drehmomente bereitgestellt werden, sodass durch Schneiden, Quetschen oder Reißen die Zerkleinerung des betreffenden Gutes erfolgen kann. Eine derartige Vorrichtung ist z. B. in der
EP 0 419 919 A1 beschrieben.
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In aktuellen Konzepten werden dabei hydraulische Lösungen oder Vorrichtungen mit Elektromotoren, meist in Verbindung mit mechanischen Getrieben oder Riemenscheiben zum Betrieb einer oder mehrerer Zerkleinerungswellen mit den zugehörigen Zerkleinerungswerkzeugen eingesetzt. Bei Einsatz von Elektromotoren kommen dabei meist Asynchronmaschinen zum Einsatz, die starr am elektrischen Versorgungsnetz mit Drehzahlen von beispielsweise 1500 Umdrehungen/Minute bei einem 4-poligen Motor betrieben werden und die mittels der mechanischen Getriebe oder der Riemenscheibe reduzierte Drehzahlen an der Zerkleinerungswelle mit entsprechend erhöhtem Drehmoment bereit stellen. Der Leistungsbereich derartiger elektrischer Antriebe liegt dabei üblicherweise im Bereich von 50–500 kW.
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Die elektrischen Antriebe werden bei dem direkten Betrieb am Versorgungnetz dabei meist überdimensioniert, um im Falle von Laststößen oder auch länger andauernden Überlasten, z. B. durch Störstoffe im Zerkleinerungsgut ein unkontrolliertes „Abkippen” des Asynchronmotors zu vermeiden. Das Bauvolumen steigt und die bereitgestellte elektrische Leistung der Anlage muss entsprechend höher projektiert werden.
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In der
DE 103 33 359 B3 wird eine Zerkleinerungsvorrichtung vorgeschlagen, bei der ein hochpoliger Drehstrom-Synchronmotor in Verbindung mit einem Frequenzumrichter eingesetzt wird. Der hochpolige Synchronmotor kann dabei die Notwendigkeit eines Untersetzungsgetriebes reduzieren oder das Getriebe völlig ersetzen. Aufgrund des eingesetzten Frequenzumrichters ist auch ein Betrieb bei veränderbaren Drehzahlen oder veränderbarem Drehmoment im Gegensatz zum Betrieb eines Drehstrommotors am starren Versorgungsnetz möglich. Allerdings sind derartige hochpolige Synchronmotoren im Vergleich mit Asynchronmotoren deutlich teurer und gelten aufgrund der eingesetzten Magnetmaterialien als weniger robust als die im Aufbau einfacheren Asynchronmaschinen.
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Werden Drehstrommotoren mittels Frequenzumrichter auch im Bereich unterhalb der Nenndrehzahlen betrieben, so steht bei einem auftretenden Laststoß weiterhin das Nenndrehmoment entsprechend der Gleichung M ~ I zur Verfügung, wenn etwaige feldbildende Stromkomponenten vernachlässigt werden. Eine Anhebung des Drehmoments, z. B. um die zusätzlichen Lastmomente bei einem Laststoß zu kompensieren kann dabei durch die Anhebung des Motorstromes auch über den Nennstrom des Motors hinaus erfolgen. Allerdings muss auch der Frequenzumrichter in der Lage sein, diesen erhöhten Strombedarf über einen evtl. längeren Zeitraum zur Verfügung zu stellen. Dies führt dazu, dass Komponenten des Frequenzumrichters wie z. B. die Leistungshalbleiter für diese größeren Ströme auszulegen sind, was aufgrund der zusätzlich erzeugten thermischen Verluste zusätzliche Mehraufwände in der elektrischen Antriebseinheit verursacht und teilweise zusätzliches Bauvolumen erfordert.
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Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung eine Antriebseinheit für die Anwendung einer Zerkleinerungsvorrichtung zu schaffen, welche in einem weiten Drehzahlbereich betrieben werden kann und welche Betriebszustände mit evtl. auftretenden Laststößen oder länger andauernde Überlasten ohne die beschriebenen nachteiligen Mehraufwände in der Auslegung der Antriebseinheit beherrscht. Aus dieser beschriebenen Lösung ergeben sich weitere vorteilhafte Eigenschaften für den Betrieb der Zerkleinerungsvorrichtung, die derzeit nicht oder nur mit zusätzlichem Aufwand realisiert werden können. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb einer Zerkleinerungsvorrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei einfachen Antriebsaufgaben, insbesondere bei Anwendungen, die ein geringes Anlaufmoment erfordern, ist es heute nach Stand der Technik üblich, Asynchron-Motoren mit herausgeführten Wicklungen einzusetzen und am starren Versorgungsnetz zu betreiben. Die Wicklungen werden dabei in Stern bzw. zum Dreieck verschaltet, wobei der Motor zum Starten zunächst in Sternschaltung betrieben wird. Nach Überschreitung einer Drehzahlgrenze werden die Wicklungen in der Dreieckschaltung bestromt. Damit sollen insbesondere die Anlaufströme reduziert werden, um eine unnötige Netzbelastung oder das Auslösen von Sicherungseinrichtungen zu vermeiden. Dies ist allerdings mit einem verringerten Anzugsmoment während der Anlaufphase verbunden, wobei für den Betrieb am starren Versorgungsnetz gilt:
- (1) PStern = 1/3·PDreieck
- (2) MStern = 1/3·MDreieck
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Dies bedeutet, dass in der Sternschaltung die verfügbare Leistung am Motor auf ein Drittel reduziert ist. Erst nach Umschalten in die Dreieck-Schaltung darf der Motor mit seinem vollen Moment betrieben werden. Eine unmittelbare Regelung des abgegebenen Drehmomentes oder der Drehzahl findet in dieser Betriebsweise nicht statt.
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Daher ist es in vielen Anwendungen inzwischen üblich, Antriebsstromrichter, wie z. B. Frequenzumrichter oder Servoregler einzusetzen, die eine Steuerung oder Regelung einer oder mehrerer physikalischen Größen wie z. B. Drehzahl, Drehmoment oder Motorstrom ermöglichen. Dabei wird unter einem Frequenzumrichter üblicherweise ein Antriebsstromrichter verstanden, der ohne eine Erfassung der Motordrehzahl und insbesondere ohne die Erfassung der Rotorlage des Motors ein elektrisches Drehfeld mit einer variablen Ausgangsfrequenz und mit einer von der Ausgangsfrequenz abhängigen Ausgangsspannung aufgrund einer vorgegebenen Spannungs-/Frequenzkennlinie zum Betrieb des Motors bereitstellt.
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Bei Antriebsaufgaben oder Antrieben, bei denen eine genaue oder dynamische Regelung einer physikalischen Größe des Motors erforderlich ist werden nach Stand der Technik Servoregler eingesetzt, wobei der Motor vom Typ sowohl ein Synchron- als auch ein Asynchronmotor sein kann. Dabei werden meist unter Berücksichtigung von Motormodellen oder deren elektrischen Ersatzschaltbildern weitere elektrische und mechanische Größen, z. B. Phasenströme, Phasenspannung, Drehzahl oder Rotorlage gemessen oder mittels modellbasierter Verfahren ermittelt und geeignete regelungstechnische Verfahren zum optimalen Betrieb des Motors genutzt.
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Überraschenderweise ergeben sich jedoch bei einer geeigneten Kombination der leistungsfähigen Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors mittels Frequenzumrichter oder Servoregler mit Grundgedanken einer Stern-/Dreieck-umschaltbaren Topologie im Falle der gattungsgemäßen Antriebseinheit für Zerkleinerungsvorrichtungen wesentliche Vorteile gegenüber den bekannten und zuvor beschriebenen Lösungen.
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Dabei wird nachfolgend der Begriff Antriebsstromrichter als übergeordneter Sammelbegriff für intelligente leistungselektronische Produkte zum gesteuerten oder geregelten drehzahlvariablen Betrieb von Drehstrommotoren verstanden, die unter vielfältigen, teilweise auch herstellerspezifischen Begriffen wie z. B. Frequenzumrichter, Servoregler, Servoverstärker, Inverter, Antriebsregler bekannt sind.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit für eine Zerkleinerungsvorrichtung umfasst dabei mindestens einen Stern-/Dreieck-umschaltbaren Motor und einen Antriebsstromrichter zur Regelung oder Steuerung einer physikalischen Größe des mindestens einen Motors und eine Steuereinheit, wobei zusätzliche Schaltvorrichtungen in der Antriebseinheit vorgesehen sind, welche die Stern-/Dreieck-Umschaltung des Motors ermöglichen. Durch geeignete Schaltstellungen der Schaltvorrichtungen ist es somit möglich, den mindestens einen Motor sowohl in der Sternschaltung als auch durch Auswahl von zweiten Schaltstellungen in der Dreieckschaltung zu betreiben.
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Für die Stern-/Dreieck-Umschaltung, realisiert durch die geeignete Wahl der Schaltstellungen der Schaltvorrichtungen ist erfindungsgemäß eine Steuereinheit vorgesehen, welche für die Auswahl der jeweils geeigneten Schaltstellung mindestens eine in der Antriebseinheit erfasste Größe berücksichtigt.
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Dazu kann es auch notwendig sein zusätzliche Sensoren in der Antriebseinheit vorzusehen, die beispielsweise Größen wie die an die Motoren abgegebene Wirkleistung oder die Motordrehzahl messen und an die Steuereinheit liefern. Aber auch in Antriebsstromrichtern werden nach Stand der Technik heute mittels geeigneter Sensoren bereits verschiedene physikalische Größen erfasst. So können beispielhaft der Motorphasenstrom, die Motordrehzahl, die Motorphasenspannung, die Zwischenkreisspannung, der Zwischenkreisstrom, die Temperatur der Leistungsbauelemente des Antriebsstromrichters oder die Rotorlage des Motors als Messgröße zur Verfügung stehen. Diese Daten des Antriebsstromrichters können dann auch einfach beispielsweise mittels analoger oder digitaler Übertragung der Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin können diese Daten auch über Kommunikationsschnittstellen ausgetauscht werden oder die Datenübertragung kann zum Beispiel als Bitstrom als Ergebnis einer Sigma-/Delta-Modulation erfolgen.
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Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn für die Auswahl der Stellung der Schaltvorrichtungen als erfasste Größe der Motor-Phasenstrom berücksichtigt wird, da diese Größe ein Maß für die aktuelle Auslastung des Antriebsstromrichters ist und für die Berechnung der aktuell aufgebrachten Motorleistung ebenfalls erforderlich ist.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn für die Auswahl der Stellung der Schaltvorrichtungen als erfasste Größe die Drehzahl des Motors verwendet wird.
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Weiterhin kann für die Auswahl der Stellung der Schaltvorrichtungen als erfasste Größe die vom Antriebstromregler ausgegebene Drehfeldfrequenz verwendet werden, die oft näherungsweise mit der Drehzahl des Motors übereinstimmt.
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Weiterhin kann es sinnvoll sein die erfassten Größen mittels geeigneter Algorithmen zunächst weiter zu verarbeiten und das so entstehende Ergebnis als Grundlage für die Entscheidung zur Auswahl der geeigneten Schaltstellung heranzuziehen. So kann beispielhaft aus der Messung des Zwischenkreisstromes auf die Phasenströme geschlossen werden oder die Differenzierung von gemessenen Messwerten der Rotorlage des Motors liefert die aktuelle Drehzahl.
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Ebenfalls ist es bekannt mittels geeigneter Modelle eine indirekte Berechnung von Zustandsgrößen zu ermöglichen, die nicht direkt erfasst werden, aber dennoch für den Betrieb des Motors sinnvoll verfügbar sein müssen. So sind nach Stand der Technik beispielsweise modellbasierte Verfahren bekannt, welche auf Basis von erfassten Größen wie beispielsweise die gemessenen Motorphasenströme und bekannten Motorspannungssollwerten unter Einbeziehung eines geeigneten Motormodelles die Drehzahl eines Asynchronmotors ermitteln.
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So kann in einer weiteren vorteilhaften Lösung das Antriebssystem auch ohne Drehzahl- oder Rotorlagegeber ausgestattet sein, wenn mittels modellbasierten Verfahren unter Einbeziehung des gemessenen Motor-Phasenstromes die Drehzahl des Motors indirekt berechnet wird. Damit kann der Verdrahtungsaufwand in der Antriebseinheit reduziert werden und mögliche Ausfälle aufgrund der teilweise mechanisch empfindlichen Drehzahl- oder Lagegeber werden vermieden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Steuereinheit als Bestandteil des Antriebsstromrichters vorgesehen, um beispielsweise einen störsicheren Datenaustausch zwischen Steuereinheit und Antriebsstromrichter zu ermöglichen. Dies kann derart ausgeführt sein, dass die Steuereinheit als eigenständige Baugruppe im Antriebsstromrichter vorgesehen ist oder dass die erforderlichen Ressourcen für die erforderliche Funktionalität der Steuereinheit von den verfügbaren Hardware- und Software-Ressourcen des Antriebsstromrichters bereits teilweise oder vollumfänglich bereitgestellt werden.
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In einer ersten Betriebsart wird aufgrund der eingestellten Stellung der Schaltvorrichtungen der Motor in der Dreieck-Schaltung betrieben. Weist der eingesetzte, mindestens eine in Stern-/Dreieck-umschaltbare Motor eine Nennspannung in Dreieckschaltung auf, die in etwa der Versorgungsspannung der Antriebseinheit entspricht, so wird in dieser vorteilhaften Ausführung sichergestellt, dass der Motor auch in der ersten Betriebsart bei Nenndrehzahl sein Nenn-Moment bzw. die Nenn-Leistung abgeben kann.
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Bei Auftreten einer Überlast in der Zerkleinerungsvorrichtung kann der Antriebsstromrichter entweder für eine gewisse Zeitdauer einen erhöhten Motorstrom bereitstellen oder falls dies beispielsweise aufgrund der Gefahr einer thermischen Überlastung der Komponenten des Antriebsstromrichters nicht möglich ist wird die Drehzahl des Motors absinken. In diesem Fall kann die Steuereinheit beispielsweise aufgrund der von dem Antriebsstromrichter erfassten Größe Motorphasenstrom oder dem Verlauf der Motordrehzahl eine zweite Betriebsart durch Auswahl einer zugehörigen Stellung der Schaltvorrichtungen auswählen. In dieser Betriebsart wird der Motor nun in Stern-Schaltung betrieben.
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Im Gegensatz zur zuvor dargestellten Lehre bezüglich der Eigenschaften eines mit Stern-/Dreieck-Umschaltung betriebenen Motors am Versorgungsnetz bedeutet die Umschaltung des Motors in Sternschaltung bei kleinen Drehzahlen unterhalb der Nenndrehzahl bei der erfindungsgemäßen Antriebseinheit nicht zwingend eine Verringerung des Drehmomentes gemäß Gleichung (2), sondern aufgrund des Betriebes mit einem Antriebsstromrichter ist es möglich, durch Erhöhung der durch den Antriebsstromrichter bereit gestellten Motorphasenspannung bei gleichem Motorphasenstrom eine Anhebung des abgegebenen Momentes oder der abgegebenen Leistung zu ermöglichen. Die erforderlichen Motorphasenströme zur Erreichung eines vorgegebenen Motordrehmomentes sind in der Sternschaltung um den Faktor 1/√3 kleiner als in der Dreieckschaltung. Entsprechend ist der Spannungsbedarf in der Sternschaltung jedoch um den gleichen Faktor erhöht. Da der Motor zum Umschaltzeitpunkt jedoch mit Drehzahlen deutlich unterhalb des Nennpunktes betrieben wird, ist der Spannungsbedarf in diesem Betriebspunkt deutlich geringer als am Nennpunkt, sodass auch nach dem Umschalten noch ausreichend Spannungsreserve für den Betrieb in der Sternschaltung zur Verfügung steht. Werden die Motorphasenströme vor und nach dem Umschalten auf den gleichen Wert eingestellt, so ergibt sich in Summe eine um den Faktor √3 höhere Leistung in diesem Betriebspunkt. Damit wird auch ohne entsprechende Überdimensionierung der leistungselektronischen Komponenten des Antriebsstromrichters eine entsprechende Anhebung des Momentes in einem Drehzahlbereich unterhalb der Nenndrehzahl ermöglicht.
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Nach Beendigung des Überlast- oder Blockadefalls kann die Drehzahl des Motors durch den Antriebsstromrichter wieder angehoben werden. Da in der Sternschaltung der Motor eine um den Faktor 1/√3 höhere Nennspannung gegenüber einer Beschaltung im Dreieck hat, dieser Spannungswert aber aufgrund der gewählten Versorgungsspannung der Antriebseinheit eventuell nicht mehr bereitgestellt werden kann, kann es erforderlich sein, dass die Steuereinheit auf Basis einer in der Antriebseinheit verfügbaren Größe wie beispielsweise der Motordrehzahl oberhalb einer definierten Drehzahlgrenze mittels der Schaltvorrichtungen in eine andere, vorzugsweise in die erste Betriebsart umzuschalten. Damit wird wieder der Betrieb bei Nenndrehzahl mit Nennleistung ermöglicht.
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Vorteilhaft sind die Grenzen, ab denen ein Wechsel der Betriebsarten erfolgen soll oder zulässig ist, in der Antriebseinheit einstellbar.
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Auch bei einem Schweranlauf ist das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar. Wird in der Steuereinheit erkannt, dass ein Hochfahren des Motors aufgrund eines erhöhten Lastmomentes nicht oder nur mit geringer Beschleunigung erfolgen kann, so kann durch Auswahl der Stellung der Schaltvorrichtungen der Motor in Sternschaltung mit einer höheren Motorspannung betrieben werden. Mit dem dann verfügbaren höheren Drehmoment kann der Motor weiter beschleunigt werden. Bei Erreichen einer Drehzahlschwelle kann dann in die Betriebsart mit Dreieck-Schaltung gewechselt werden, falls der Motor auch in dieser Betriebsart das erforderliche Lastmoment bereitstellen kann.
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Für die erfindungsgemäße Stern-/Dreieck-Umschaltung können als Schaltvorrichtungen die gemäß Stand der Technik bekannten Leistungsschütze verwendet werden. Anstelle dieser elektromechanischen Schalter können vorteilhaft auch leistungselektronische Schaltvorrichtungen eingesetzt werden. Diese leistungselektronischen Schaltmittel, bekannt zum Beispiel unter dem Begriff „solid-state-relais” „oder solid-state-switch” ermöglichen kürzeste Umschaltzeiten, sodass die Unterbrechung des Leistungsflusses zwischen Antriebsstromrichter und Stern-/Dreieck-umschaltbaren Motor bei dem Umschaltvorgang reduziert werden kann.
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Bei Einsatz von Leistungsschützen erlischt der Stromfluss in der Motorzuleitung nach dem Öffnen der Kontakte eines Schalters der Schaltvorrichtung aufgrund der induktiven Last in der Regel erst nach einem Nulldurchgang des fließenden Wechselstromes. Erst nach dem Erlöschen des Lichtbogens kann der alternative Schalter der Schaltvorrichtung geschlossen werden.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung zur Reduzierung der Umschaltzeiten zwischen Stern- und Dreieck-Schaltung ergibt sich, wenn die Steuereinheit beim Wechsel der Stellung der Schaltvorrichtung eine typische Funktionalität des Antriebsstromrichters nutzt. Dazu wird durch die Steuereinheit initiiert, dass der Antriebsstromrichter in einem den Schaltvorgang überlappenden Zeitfenster seine Endstufe, welche zur Energieversorgung des Motors dient, sperrt. Im Falle einer nach Stand der Technik bekannten Endstufe eines Spannungskreis-Antriebsstromrichters führt dies dazu, dass der Stromfluss innerhalb von wenigen hundert Mikrosekunden abgebaut ist. Damit werden minimale Umschaltzeiten im Millisekundenbereich ermöglicht.
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Eine weitere vorteilhafte Lösung besteht darin, dass in einem, den Schaltvorgang der Schaltvorrichtungen überlappenden Zeitfenster, mittels des Antriebsstromrichters der Motorstrom auf einen Wert nahe Null geregelt wird. Auch in dieser Lösung können die Umschaltzeiten entsprechend kurz eingestellt werden.
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Bei der Umschaltung kann das Abklingen des Stromes durch im Wechselrichter vorhandene Stromsensoren überwacht werden.
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Für die Regelung oder Steuerung des Antriebsstromrichters kommen Algorithmen zum Einsatz, die oft mit Raumzeigergrößen arbeiten. Die drei Stranggrößen von z. B. Strömen und Spannungen werden als komplexe Raumzeiger beschrieben. Bei den Raumzeigergrößen tritt beim Wechsel des Betriebszustandes (Stern/Dreieck) ein Sprung der Phase und der Amplitude auf. Werden beispielsweise die in den Wicklungen induzierten Spannungen berücksichtigt, so ändern sich diese bei konstantem Fluss nicht. Die Raumzeigergrößen hängen aber davon ab, ob diese Spannungen im Stern oder Dreieck verschaltet werden. Der Phasensprung beträgt dabei ein Vielfaches von 30° und die Amplitude ändert sich um den Faktor √3. Erfindungsgemäß werden diese Sprünge in der überlagerten Steuereinrichtung berücksichtigt, sodass die Umschaltung ohne Ausgleichsvorgänge und Einschwingvorgänge stattfinden kann.
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Desweiteren kann diese Steuereinrichtung ebenfalls die Sprünge in den Motormodellparametern berücksichtigen und steuern. Diese Parameter, beispielsweise die Werte für Motorwiderstände und Motorinduktivitäten ändern sich bei der Umschaltung von der Dreieck- in die Sternschaltung um den Faktor 3.
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Da sich auch während des Umschaltzeitvorganges der Rotor des Motors weiterbewegt, ist es weiterhin vorteilhaft, die somit geänderte Phasenlage des Raumzeigers der EMK oder der Motorflussverkettung in dem Antriebsstromrichter zur berücksichtigen.
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Um Umschaltstromspitzen beim Umschaltvorgang zu vermeiden ist es daher vorteilhaft, dass nach dem Umschaltvorgang der Schaltvorrichtungen im Antriebsstromrichter eine Korrektur der für die Berechnung der Ausgangssignale des Antriebsstromrichters erforderlichen Raumzeigergrößen erfolgt, sodass die weitere Ansteuerung des Motors nach dem Schaltvorgang phasensynchron erfolgt.
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Weiterhin kann in Ausführungsvarianten der Erfindung ein verlustoptimales Steuerverfahren mit variabler Flussführung eingesetzt werden. Üblicherweise wird der Motor im Grundstellbereich, d. h. bis zur Nenndrehzahl mit einer konstanten Magnetisierung betrieben, was u. a. auch als Betrieb mit konstantem d-Strom oder konstantem Fluss im Grundstellbereich bezeichnet ist.
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Da sich beim Umschalten auch die wirksamen Motorparameter verändern ist es vorteilhaft ein adaptives Steuerverfahren zur Flussführung zu verwenden, welches auch die veränderten Motorparameter je nach gewählter Schaltstellung der Schaltvorrichtungen berücksichtigt. So kann stets nach Lastsituation und gewählter Schaltstellung der Schaltvorrichtungen mit einer Flussanhebung oder Absenkung erreicht werden, dass der Strombedarf für das geforderte Drehmoment jeweils minimal wird.
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Aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen bei Einsatz von typischen Zerkleinerungsvorrichtungen ist aufgrund der erhöhten Robustheit und des reduzierten Hardwareaufwandes ein drehzahl- oder rotorlage-sensorloser Betrieb gewünscht, sodass weiterhin vorteilhaft ist, die Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit modellbasierten Verfahren zur indirekten Drehzahl- oder Rotorlageerfassung weiterzubilden.
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Alle vorgenannten Steuer- und Regelverfahren sind sowohl mit Asychronmotoren, Permanent-Magnet-Synchronmotoren, Reluktanzmotoren und deren Mischtypen (z. B. PM Synchronmotoren mit vergrabenen Magneten) einsetzbar.
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Lassen sich die Schaltvorrichtungen zur Stern-/Dreieck-Schaltung unabhängig voneinander ansteuern, so ist es möglich Schaltstellungen anzuwählen, bei denen der angeschlossene Motor vom Antriebsstromrichter getrennt ist. Sind als Schaltvorrichtungen die nach Stand der Technik bekannten Leistungsschütze vorgesehen, so lässt sich durch Hinzufügen eines weiteren Leistungsschützes eine zweikanalige redundante Abschaltung im Leistungspfad realisieren, sodass im Hinblick auf die Anforderungen der funktionalen Sicherheit redundant die Drehmomentfreiheit gewährleistet sein kann. Dieser Zustand wird häufig als „sicherer Halt” oder „safe Torque-off” bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel werden also die Schaltvorrichtungen zur Stern-/Dreieck-Umschaltung Bestandteil einer Anordnung, welche im Sinne der funktionalen Sicherheit das sichere Abschalten des Stern-/Dreieck-umschaltbaren Motors ermöglicht.
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Diese zusätzliche Schaltvorrichtung kann dabei an verschiedenen Stellen vorgesehen werden. Wird die Schaltvorrichtung zwischen Dreieckabgriff und Motor angeordnet, so ergibt sich eine weitere vorteilhafte Lösung, da in diesem Fall die Schaltvorrichtung bei Betrieb in der Dreieckschaltung einen geringeren Laststrom führen muss, als bei Anordnung zwischen Ausgang des Antriebsstromrichters und Dreieckabgriff.
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In der Regel ist ein dauerhafter Betrieb des Motors mit dem Dreiecknennstrom in der Sternschaltung aus thermischen Gründen nicht zulässig. Die thermischen Zeitkonstanten eines Elektromotors sind aber typischerweise deutlich größer als die thermischen Zeitkonstanten des Antriebsstromrichters, sodass diese Betriebsart insbesondere bei Applikationen wie Zerkleinerungsanlagen, bei denen eine im Minutenbereich anstehende Drehmomentüberlast bereitzustellen ist, ideal genutzt werden kann.
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Zeichnungen
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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2 und 3 zeigen weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung.
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4 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf verschiedener Größen und Zustände beim Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebseinheit.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 dargestellt, welche einen Motor 2, einen Antriebsstromrichter 3 und eine Steuereinheit 9 umfasst. Zusätzlich sind Schaltelemente 4.1 und 4.2 vorgesehen, welche mit der Steuereinheit 9 verbunden sind und deren Schaltstellungen durch die Steuereinheit 9 steuerbar sind. Die Wicklungen des Motors 2 sind dahingehend herausgeführt und kontaktierbar, sodass mit den Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 eine Stern-/Dreieck-Umschaltung vorgenommen werden kann. Der Antriebsstromrichter 3 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Gleichrichter 6, der die anliegende Versorgungswechselspannung gleichrichtet und in einem Zwischenkreis 7, der einen Glättungskondensator 14 aufweist als Gleichspannung bereitstellt, sodass eine nachfolgende Wechselrichtereinheit 8 aus dieser Gleichspannung eine Wechselspannung zur Realisierung eines Drehfeldes für den angeschlossenen Motor 2 erzeugt. In weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen können auch mehrere Motoren an einen Antriebsstromrichter angeschlossen sein oder mehrere Motoren, jeweils in Kombination mit einem zugehörigen Antriebsstromrichter in der Antriebseinheit vorgesehen sein.
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Die Steuereinheit 9 erfasst in diesem Ausführungsbeispiel mehrere Größen der Antriebseinheit 3. So werden mittels einer Funktionseinheit Messwerterfassung 11 über die Signalleitungen 5.1–5.4 die Zwischenkreisspannung 5.1, die Wechselrichtertemperatur 5.2, der Phasenstrom 5.3 und die abgegebene Motorleistung 5.4 erfasst. Dabei wird in diesem Beispiel mittels der Verbindungen 5.1–5.3 auf interne Größen des Antriebsstromrichters zugegriffen, während die Verbindung 5.4 Größen aus einer separaten Einheit in der Antriebseinheit erfasst. Alternativ können diese Verbindungsleitungen auch als Kommunikationsschnittstellen realisiert sein oder die Datenübertragung kann in digitaler Form, zum Beispiel als Bitstrom als Ergebnis einer Sigma-/Delta-Modulation erfolgen. Die Aufbereitung der Größen erfolgt mittels einer Signalauswerteeinheit 12, welche die erfassten Größen weiterverarbeitet und/oder über modellbasierte Verfahren eventuell weitere interne Größen der Antriebseinheit ermittelt. Dazu können eventuell auch Sollwerte oder weitere Daten wie gespeicherte physikalische Größen und Parameter aus einer Steuereinheit 10 mit berücksichtigt werden. Als Ergebnis der Signalauswertung werden über die Ansteuereinheit 13 die Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 angesteuert, sodass sich die jeweils für den Betrieb des Motors geeigneten Schaltstellungen ergeben.
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Die Versorgung der Antriebseinheit 1 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über eine 3-phasige Versorgungsleitung 20, wobei als zusätzliche Schutzelemente eine Netzsicherung 21, ein Netztrennschalter 22 und eine Netzdrossel 23 in der Zuleitung vorgesehen sind. Alternativ können diese Komponenten auch in die Antriebseinheit integriert werden, um einen möglichst kompakten und einfach anzuschließenden Aufbau zu ermöglichen. Ebenfalls kann die Anzahl der versorgenden Phasen variieren. Für kleine Leistungen kommen insbesondere auch einphasige Lösungen in Frage, während für große Leistungen eine 12-Puls-Gleichrichtung vorteilhaft ist, die mit 6 Phasen versorgt werden muss.
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In der 2 zeigt eine weitere beispielhafte Anordnung, in der weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Merkmale ergänzt wurden. So ist die Steuereinheit 9 nun von dem Antriebsstromrichter 3 umfasst, um einen einfacheren und störsicheren Datenaustausch zu ermöglichen. Zusätzlich ist eine weitere Schaltvorrichtung 4.3 vorgesehen mittels derer der Motor 2 vom Ausgang des Antriebsstromrichters getrennt werden kann. Sind die Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 einzeln, das heißt unabhängig voneinander ansteuerbar, so kann erreicht werden, dass die in 2 gezeigte Konstellation der Schaltkontakte, also alle Kontakte offen einstellbar ist. In diesem Beispiel ist ein redundantes, einfehlersicheres Stillsetzen des Motors unter Einbeziehung der Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 möglich. Selbst wenn im Fehlerfall die Kontakte der Schaltvorrichtungen 4.3 geschlossen sein sollten, so verhindern die offenen Kontakte der Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 einen feld- und/oder momentbildenden Stromfluss im Motor 2.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 3. Im Gegensatz zur 2 ist hier die zusätzliche Schaltvorrichtung zur Trennung von Antriebsstromrichter 3 und Motor 2 zwischen dem Dreieckabgriff und dem Motor 2 vorgesehen. Auch in diesem Beispiel ist ein sicheres Stillsetzen des Antriebsmotors möglich, da stets von 2 Schaltelementen die jeweiligen Kontakte geschlossen sein müssen, um einen feld- oder drehmomentbildenden Stromfluss zu ermöglichen. Bei dieser Lösung ist bei Dreieckschaltung der die Kontakte des Schaltelements 4.3 belastende Strom um den Faktor 1/√3 kleiner als der Ausgangsstrom des Antriebsstromrichters.
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In 4 sind typische qualitative Verläufe von Größen der Antriebseinheit aufgezeigt, wobei in einem Zeitfenster zwischen t1 und t4 eine Überlastsituation angenommen ist und wobei durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens diese Überlastsituation entsprechend beherrscht werden kann.
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Dabei bedeuten die Signalverläufe:
- 30: die gewählte Schaltstellung der Schaltvorrichtungen mit B1 = Dreieckschaltung und B2 = Sternschaltung
- 31: die Drehzahl n des Motors 2,
- 32: die Ausgangsspannung Ua des Antriebsstromrichters 3
- 33: das abgegebene Antriebsmoment M des Motors 2
- 34: den Ausgangsstrom Ia des Antriebsstromrichters 3
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Zum Zeitpunkt t1 wird aufgrund der gewählten Schaltstellungen der Schaltvorrichtungen der Motor in Dreieck-Schaltung in der ersten Betriebsart, entsprechend dem Zustand B1 betrieben. Dabei wird der Motor mit der für die Dreieckschaltung zugeordneten Nenndrehzahl und Nennspannung Unenn_Δ betrieben. Der Ausgangsstrom Ia ist kleiner als der maximale Ausgangsstrom des Antriebsstromrichters und das damit realisierte Antriebsmoment ist kleiner als das unter Nennstrom verfügbare Nennmoment Mnenn1.
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Dem zum Zeitpunkt t1 auftretenden Überlastfall wird durch den Antriebsstromrichter zwar versucht durch eine Anhebung des Ausgangsstromes Ia und des damit erzeugten Antriebsmomentes M entgegenzuwirken. Allerdings reicht das Moment nicht aus, sodass die Drehzahl n des Motors entsprechend absinkt. Zur Begrenzung des Ausgangsstromes Ia muss der Antriebsstromrichter mit Absinken der Drehzahl auch die Ausgangsspannung Ua reduzieren. Zu Zeitpunkt t2 setzt die Steuereinheit unter Berücksichtigung der in der Antriebseinheit erfassten Drehzahl aufgrund der Unterschreitung von nlim die Schaltvorrichtungen in den der Stern-Schaltung entsprechenden Zustand B2. Der für diese Schaltung erforderliche höhere Spannungsbedarf Ua am Ausgang des Antriebsstromrichters wird eingestellt, sodass unter Beibehaltung des vorherigen Ausgangsstromes Ia eine Anhebung des verfügbaren Momentes M um den Faktor √3 erfolgt. Dieses erhöhte Moment reicht aus, den Motor trotz Überlast in der Zeitspanne bis t3 wieder auf eine höhere Drehzahl zu beschleunigen. Diese Drehzahl kann dabei beispielhaft so gewählt sein, dass mit der maximal verfügbaren Ausgangsspannung der Motor an dieser Spannungsgrenze betrieben wird. Aufgrund der nicht mehr erforderlichen Beschleunigungsenergie kann der Motor im Zeitfenster t3 – t4 mit geringerem Ausgangstrom und ausreichendem Antriebsmoment trotz Überlastfall betrieben werden.
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Nach Wegfall der Überlastsituation reduziert sich das erforderliche Moment und der dafür notwendige Ausgangsstrom Ia sinkt deutlich. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Steuereinheit aufgrund des festgestellten niedrigen Phasenstromes zum Zeitpunkt t5 ein Wechsel der Betriebsart durch Umschalten der Schaltvorrichtungen zur Realisierung der Dreieck-Schaltung vornehmen. Der Motor wird in Sternschaltung mit einer niedrigeren vom Antriebsstromrichter gelieferten Ausgangsspannung betrieben, allerdings mit einem höheren Ausgangsstrom. Das damit entstehende Moment reicht jedoch nun aus, den Motor auf seine Nenndrehzahl der Dreieckschaltung zu beschleunigen. Mit Erreichen dieser Drehzahl zum Zeitpunkt t6 sinkt das erforderliche Moment sowie der erforderliche Ausgangsstrom des Antriebsstromrichters. Die Zerkleinerungsvorrichtung kann nun mit maximalem Durchsatz bei Nenndrehzahl und Nennleistung durch die Antriebseinheit betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0419919 A1 [0002]
- DE 10333359 B3 [0005]