DE19703617A1

DE19703617A1 - Antriebseinrichtung für Industrieanlagen, insbesondere für Anlagen der Grundstoffindustrie

Info

Publication number: DE19703617A1
Application number: DE1997103617
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Timmert
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 1998-08-13
Also published as: CN1192082A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung für Teile von Industrieanlagen, insbesondere für Anlagen der Grundstoffindustrie, mit zumindest einem Elektromotor und zu mindest einem Umrichter.

Bei der Auslegung von Umrichtern für Hochleistungsantriebe für Industrieanlagen, z. B. für Walzwerksanwendung, ist von einem fiktiven Betriebsfall auszugehen. Die Dimensionierung muß immer für die angenommene ungünstigste Belastung im schwersten Betriebsfall bei maximaler Umgebungstemperatur bzw. maximaler Kühlmitteltemperatur erfolgen. Hierfür wird für eine gewählte Vorbelastung die Überlastbarkeit für eine bestimmte Zeitspanne festgelegt, die aus dem Erreichen der zulässigen Maximaltemperatur der Leistungshalbleiter der Um richter resultiert.

Eine Messung der Temperatur der thermisch kritischen Sperr schicht der Leistungshalbleiter ist für oben bezeichnete An wendung unter zumutbarem Aufwand nicht möglich. Hinzu kommt, daß Stromrichter mit modernen Halbleitern, z. B. abschaltbaren Thyristoren, bei Überlastung thermisch kritischer sind als Stromrichtervarianten mit konventioneller Thyristorbestüc kung. Dies resultiert aus der Betriebsweise dieser Halblei ter, die den durch sie fließenden Strom aktiv unterbrechen, was neben den Durchlaufsverlusten zu zusätzlichen Schaltver lusten führt. Je höher die Schaltfrequenz der Halbleiter ist, um so größer ist der Anteil dieser Schaltverluste an den Ge samtverlusten. Bei einer Auslegung für den schwersten Be triebsfall werden insbesondere abschaltbare Thyristoren unter üblichen Betriebsbedingungen nur unzureichend ausgelastet. Dies resultiert insbesondere daraus,

- daß die Schaltfrequenz der Halbleiter nicht fest ist, son dern automatisch für die Betriebsverhältnisse optimal ange paßt wird,
- daß die Vorbelastung vor einer Überlast in Höhe und Dauer variieren kann,
- daß Höhe und Dauer der Überlast variieren können und
- daß die Kühlmitteltemperatur bzw. die Umgebungstemperatur nur selten ihren Maximalwert erreicht.

Diese Randbedingungen führen zu einer Halbleitertemperatur, die häufig deutlich unterhalb der spezifizierten Grenztempe ratur liegt, bei der der Leistungshalbleiter überhitzt wird. Eine Nutzung dieser schwankenden Reserve ist jedoch nur unter dem Risiko des Ausfalls des Stromrichters und daraus resul tierendem Anlagenstillstand möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische An triebseinrichtung für Industrieanlagen, insbesondere für An lagen der Grundstoffindustrie, wie z. B. Walzwerken, mit Um richter gespeisten Elektromotoren anzugeben, bei der die Lei stungshalbleiter der Umrichter besser ausgenutzt werden, als bei bekannten elektrischen Antrieben für Teile von Industrie anlagen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische An triebseinrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst.

Dabei weist die Antriebseinrichtung eine Rechnereinrichtung auf, die die Temperatur der Leistungshalbleiter, insbesondere on-line, berechnet und überwacht und die bei Überschreiten einer kritischen Temperatur in den Leistungshalbleitern die Drehzahl, das Drehmoment und somit die Wirkleistungsaufnahme des Elektromotors derart verringert, daß ein Überhitzen der Leistungshalbleiter verhindert wird. Die Recheneinheit kann als Einchiprechner, z. B. als Mikrocontroller oder als Mehr chiprechner, insbesondere als ein Einplatinenrechner, oder Automatisierungsgerät, ausgebildet sein. In Ausbildung als Automatisierungsgerät kommen insbesondere speicherprogram mierbare Steuerungen, VME Bussysteme oder Industrie-PCs in Frage. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Berechnung und Überwachung der Temperaturen der Leistungshalbleiter bzw. ih rer Sperrschichten auf eine Hardware-Plattform zu implemen tieren, auf der bereits andere Steuerungs- bzw. Regelungsauf gaben für den Umrichter oder für Teile der Industrieanlage implementiert sind. Die Recheneinrichtung kann auch vorteil hafterweise eine Gatterschaltung gemäß Fig. 3 oder einen ASIC zur Durchführung der notwendigen Rechneroperationen aufwei sen.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung werden die Leistungs halbleiter der Umrichter deutlich besser ausgenutzt als dies mit den bekannten elektrischen Antrieben für Teile von Indu strieanlagen möglich ist. Dabei kommt die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung besonders vorteilhaft für Antriebe in ei nem Leistungsbereich von 1-20 MW, vorteilhafterweise von 2-10 MW, bzw. in bezug auf Stoßlast für einen Leistungsbe reich von 2-30 MW, vorteilhafterweise von 4-20 MW zum Ein satz. Für derartige Antriebseinrichtungen führt die bessere Ausnutzung der Umrichter zu einer deutlichen Kostenersparnis. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Tempe ratur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Lei stungshalbleiter in Abhängigkeit der Schalt- und/oder der Durchlaßverluste in den Halbleitern berechnet. Diese Berech nung erfolgt vorteilhafterweise in Abhängigkeit des Stroms durch die Leistungshalbleiter, der Schaltzustände der Lei stungshalbleiter, der Ein- und Ausschalttransitionen und von Parametern der Leistungshalbleiter. Diese Größen haben sich als besonders vorteilhaft zur präzisen Berechnung der Tempe ratur der Sperrschicht in den Leistungshalbleitern erwiesen. Ferner wird die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter vorteilhafterweise in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur bzw. - bei Kühlung der Leistungshalbleiter mit einem Kühlmittel - in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur berechnet.

Der Umrichter der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung kann auch als luftgekühlter Umrichter ausgeführt sein. Dabei hat es sich überraschenderweise gezeigt, daß die Temperatur der Sperrschicht der Leistungshalbleiter auch bei luftgekühlten Umrichtern präzise berechenbar ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Tempe ratur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Lei stungshalbleiter mittels einer thermischen Ersatzschaltung der Leistungshalbleiter berechnet. In die thermische Ersatz schaltung werden dabei vorteilhafterweise benachbarte Bautei le, insbesondere Bauteile, mit denen sie in Berührung stehen, aufgenommen. Derartige Bauteile können andere Halbleiter sein oder konstruktive Teile wie z. B. Kühlkörper.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter vorausschauend berechnet.

Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung hat sich weiterhin als besonders vorteilhaft in Verbindung mit Drehstrommotoren in Tandemschaltung erwiesen, d. h. bei Schaltungen, bei der der Drehstrommotor offene Wicklungen aufweist, die beidseitig von Umrichtern gespeist werden.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem kommt ferner besonders vorteilhaft zum Antrieb von Walzgerüsten einer Walzstraße zur Anwendung.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Unteransprü chen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 den Einsatz einer erfindungsgemäßen Antriebseinrich tung in einer Walzstraße,

Fig. 2 die funktionalen Zusammenhänge für die erfindungsge mäße Berechnung der Temperatur von Leistungshalblei tern bzw. ihrer Sperrschicht,

Fig. 3 ein Rechenwerk zur Bestimmung der Temperatur von Lei stungshalbleitern eines Dreipunkt-Spannungszwischen kreis-Umrichters,

Fig. 4 Kennlinien für die Ausnutzbarkeit von Leistungshalb leitern.

Fig. 1 zeigt den Einsatz von erfindungsgemäßen Antriebsein richtungen in einer Walzstraße. Das Walzgut 103 wird in den Walzgerüsten 104, 105, 106, 107, die von elektrischen Motoren 99, 100, 101, 102 angetrieben werden, gewalzt. Die Motoren 99, 100, 101, 102 werden über je einen Transformator 91, 92, 93, 94 und je einen Umrichter 95, 96, 97, 98 durch ein Energieversor gungsnetz 90 gespeist.

Die Temperatur der Leistungshalbleiter der Umrichter 95, 96, 97, 98 wird u. a. in Abhängigkeit des Stromes durch die Um richter 95, 96, 97, 98 in einem Rechensystem 50 berechnet. Dazu erhält das Rechensystem 50 Meßwerte 51, 52, 53, 54 oder äquivalente Werte von den Umrichtern 95, 96, 97, 98. Das Re chensystem 50 gibt Steuer- bzw. Regelbefehle 55, 56, 57, 59 an die Umrichter 95, 96, 97, 98. Dabei handelt es sich insbe sondere um Solldrehzahlen für die Elektromotoren 99, 100, 101, 102. Das Rechensystem 50 überwacht außerdem die Tempera turen der Leistungshalbleiter der Umrichter 95, 96, 97, 98. Bei Erreichen einer kritischen Temperatur in einem der Lei stungshalbleiter der Umrichter 95, 96, 97, 98 wird die Soll drehzahl für alle Elektromotoren 99, 100, 101, 102 entspre chend gesenkt, so daß es nicht zu einer Überhitzung des be troffenen Leistungshalbleiters kommt. Das Rechensystem 50 weist u. a. einen Leitrechner und eine Recheneinrichtung gemäß Anspruch 1 auf. Der Leitrechner und die Recheneinrichtung können als getrennte Hardware-Einheiten oder als eine Hard ware-Einheit ausgeführt sein.

Fig. 2 zeigt die funktionalen Zusammenhänge bei der Berechnung der Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht. Dazu werden in Abhängigkeit von Ein- und Ausschalttransitio nen 6 mittels einer Schaltverlustberechnung 10 die Schaltver luste 12 berechnet. Ferner werden in Abhängigkeit von Strom richtung und -höhe 7, Schaltzuständen 8 und Parameter 9 der Leistungshalbleiter mittels einer Durchlaßverlustberechnung 11 Durchlaßverluste 13 berechnet. In Abhängigkeit der Schalt verluste 12, der Durchlaßverluste 13 sowie der Umgebungs- oder Kühlmitteltemperatur 14 wird mittels eines thermischen Ersatzschaltbilds 16 die Leistungshalbleitertemperatur 15 er mittelt. Das thermische Ersatzschaltbild 16 umfaßt z. B. eine thermische Modellierung von Trägermaterialien, Halbleiterge häusen, Kühlkörpern etc.

Fig. 3 zeigt ein Rechenwerk für die Berechnung der Temperatur von Halbleitern eines Dreipunkt-Spannungszwischenkreis- Umrichters. Das Rechenwerk weist eine Durchlaßverlusthöhenbe rechnung 20, eine Berechnung 21 des Ortes der Durchlaßverlu ste, eine Schaltverlustberechnung 22 sowie ein thermisches Ersatzschaltbild 23 auf. Mittels der Schaltverlustberechnung 22 werden die Ein-/Ausschalttransitionen der individuellen Leistungshalbleiter in der Umrichterschaltung ausgewertet, woraus auf die Schaltverluste in den Halbleitern geschlossen werden kann. Mittels der Berechnung 21 des Ortes der Durch laßverluste wird aus der Stromrichtung und den Schaltzustän den der Leistungshalbleiter im Umrichter darauf geschlossen, welcher Leistungshalbleiter stromführend ist und in welchem Durchlaßverluste anfallen. Mittels der Durchlaßverlusthöhen berechnung 20 werden die Durchlaßverluste aus der Höhe des Stromes und den typischen Halbleiterparametern bestimmt. Die in der Sperrschicht der Leistungshalbleiter anfallenden Ver luste fließen über Silicium-Trägermaterialien, Trägergehäuse, Kühlkörper, etc. gegen das Kühlmittel bzw. gegen die Umge bungsluft ab. Hierbei haben all diese Komponenten thermische Widerstände und thermische Kapazitäten. Daraus resultiert ei ne Kette von thermischen Zeitkonstanten, die für den Wärmeab fluß und damit den zeitlichen Temperaturverlauf der Sperr schicht verantwortlich sind. Diese thermischen Zeitkonstanten werden in einem thermischen Ersatzschaltbild 23 modelliert, in das die Werte für Durchlaßverluste, Schaltverluste und Temperatur von Kühlmittel bzw. Umgebung als Eingangsgrößen eingehen, und deren Ausgangsgrößen die Sperrschichttemperatu ren der Halbleiter sind. In detaillierter Beschreibung von Fig. 3 bezeichnen:
FWD1,. . .,FWD4 Inversdioden einer Phase eines 3-Punkt- Wechselrichters
MPD5, MPD6 Mittelpunktsdioden einer Phase eines 3-Punkt- Wechselrichters
GT01,. . .,GT04 GTOs
i Iststrom
P_on durch Einschaltvorgang in Halbleiter verur sachte Verluste
P_off durch Ausschaltvorgang in Halbleiter verur sachte Verluste
P_d(MPD) Durchlaßverluste in MPD
P_d(GTO) Durchlaßverluste in GTO
P_rr(MPD) Ausschaltverluste der MPD
P_rr(FWD) Ausschaltverluste der FWD
P_GTO Gesamtverluste im GTO
P_e Schaltverluste gesamt im GTO = (P_on + P_off)
P_FWD1, . . ., P_FWD4 Gesamtverluste der FWD
r_diff(GTO) Differentieller Widerstand der GTOs sowie - im betrachteten Beispiel - auch der FWDs
r_diff(MPD) Differentieller Widerstand der MPD
T_JXXXX Junction Temperatur von XXXX
Z₁, . . ., Z₅ thermische Impedanzen aus Kombinationen von thermischen Widerständen und thermischen Ka pazitäten.

Fig. 4 zeigt die mögliche Überlast 2 für einen Gleichrichter in Abhängigkeit von seiner Vorbelastung 1. Dabei bezeichnen Bezugszeichen 3 die Vorbelastung in Abhängigkeit der Überlast bei 1 sec Überlastung, Bezugszeichen 4 die Abhängigkeit von Überlast bei 10 sec Überlastung und Bezugszeichen 5 die Vor belastung in Abhängigkeit von Überlast bei 30 sec Überla stung. So darf z. B. der entsprechende Umrichter, der - für ein vorbestimmtes Lastspiel aus Betrieb und Pausen - mit 80% seiner Dauergrenzleistung als Vorbelastung und 140% für 10 sec als Überlast betrieben werden.

Claims

1. Elektrische Antriebseinrichtung für Teile von Industriean lagen, insbesondere für Teile von Anlagen der Grundstoffindu strie, wie Walzwerke, mit zumindest einem Elektromotor, ins besondere im Megawatt-Bereich, und zumindest einem Umrichter mit Leistungshalbleitern, über den der Elektromotor mit einem Energieversorgungsnetz verbunden ist, wobei der Umrichter die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Wirkleistungsaufnahme des Elektromotors regelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine Recheneinrichtung aufweist, die die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperr schicht der Leistungshalbleiter, insbesondere on-line, be rechnet und überwacht und die bei Überschreiten einer kriti schen Temperatur in den Leistungshalbleitern die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Wirkleistungsaufnahme des Elek tromotors (99, 100, 101, 102) derart verringert, daß ein Über hitzen der Leistungshalbleiter verhindert wird.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter in Ab hängigkeit der Schalt- und/oder der Durchlaufsverluste in den Halbleitern berechnend ausgebildet ist.

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter in Ab hängigkeit zumindest einer der Größen

- Strom durch die Leistungshalbleiter,
- Schaltzustände der Leistungshalbleiter,
- Ein- und Ausschalttransitionen und
- Parameter der Leistungshalbleiter berechnend ausgebildet ist.

4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter in Ab hängigkeit der Größen

5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter in Ab hängigkeit der Umgebungstemperatur bzw. bei Kühlung der Lei stungshalbleiter mit einem Kühlmittel in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur berechnend ausgebildet ist.

6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung, die Temperatur der Leistungshalb leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter mittels einer thermischen Ersatzschaltung der Leistungshalbleiter und ggf. ihrer benachbarten Bauteile, wie z. B. Kühlkörper, be rechnend ausgebildet ist.

7. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung die Temperatur der Leistungshalb leiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter voraus schauend berechnend ausgebildet ist.

8. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (95, 96, 97, 98) als Umrichter (95, 96, 97, 98) mit Gleichspannungszwischenkreis in Dreipunktschaltung ausge bildet ist.

9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (95, 96, 97, 98) als Umrichter (95, 96, 97, 98) mit Gleichspannungszwischenkreis in n-Punkt-Schaltung ausge bildet ist, wobei n größer gleich 5 ist.

10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter als GTO's, d. h. als Gate Turn Off Thyristors, ausgebildet sind.

11. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (95, 96, 97, 98) abschaltbare Leistungshalb leiter aufweist, die als MCT's, d. h. als MOS Controlled Thy ristors, ausgebildet sind.

12. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (95, 96, 97, 98) abschaltbare Leistungshalb leiter aufweist, die als Leistungstransistoren, insbesondere als IGBT's, d. h. Insulated Gate Bipolar Transistors, ausge bildet sind.

13. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter rückwärts leitend ausgebildet sind.

14. Walzstraße mit einem oder mehreren Walzgerüsten (104, 105, 106, 107) zum Walzen von Walzgut (103), insbesondere einem Walzband, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Walzgerüst mit einer Antriebseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche angetrieben wird.

15. Walzstraße nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Walzgerüste, insbesondere alle Walzgerü ste (104, 105, 106, 107), mit einer Antriebseinrichtung nach ei nem der Ansprüche 1 bis 13 angetrieben werden.

16. Walzstraße nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Rechensystem (50) aufweist, das bei Überschreiten einer kritischen Temperatur in einem der Leistungshalbleiter der Umrichter (95, 96, 97, 98) der Walzstraße die Drehzahl aller Elektromotoren (99, 100, 101, 102) derart verringert, daß ein Überhitzen des Leistungshalbleiters verhindert wird.

17. Verfahren zum Steuern bzw. Regeln einer Antriebseinrich tung, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperr schicht der Leistungshalbleiter, insbesondere on-line, be rechnet wird, daß die Temperatur der Leistungshalbleiter bzw. der Sperrschicht der Leistungshalbleiter auf der Basis der berechneten Wert überwacht wird, und daß bei Überschreiten einer kritischen Temperatur in den Leistungshalbleitern die Drehzahl, das Drehmoment und/oder die Wirkleistungsaufnahme des Elektromotors (99, 100, 101, 102) derart verringert wird, daß ein Überhitzen der Leistungshalbleiter verhindert wird.

18. Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß er mittels einer Walzstraße gemäß Anspruch 14, 15 oder 16 gewalzt ist.