DE2304229A1 - Einrichtung zum synchronisieren statischer thyristor-umrichter fuer die speisung von drehstrommotoren - Google Patents
Einrichtung zum synchronisieren statischer thyristor-umrichter fuer die speisung von drehstrommotorenInfo
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Description
Einrichtung zum Synchronisieren statischer Thyristor-Umrichter
für die Speisung von Drehstrommotoren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Synchronisieren
selbst- oder lastgeführter statischer Thyristor-Umrichter für die Speisung von elektrischen Drehstrommotoren, insbesondere
zur Verwendung in der Chemiefaserindustrie, bei der Spannung, Frequenz und Phasenlage der zu synchronisierenden
Umrichter miteinander verglichen und bis zur Übereinstimmung veränderbar sind und bei der bei Übereinstimmung ein
Befehl zur Übernahme der Last von einem zum anderen Umrichter abgegeben wird.
In der Chemiefaserindustrie werden in zunehmendem Maße zur Speisung der elektrischen Antriebe von Treibwalzen, Paletten,
Spinnpumpen, Changierung und dergleichen einer Arbeitsmaschine statische Umrichter mit Thyristoren benutzt, von denen
jeder jeweils eine Reihe gleichartiger, an einer Lastschiene liegenden Motoren speist. Jede Lastschiene arbeitet in der
Regel mit einer spezifischen Frequenz. Auf diese Weise können in einem Umformerraum z.B. dreißig oder mehr verschiedene
Umrichter stehen, die die einzelnen Antriebsgruppen der verschiedenen Frequenzebenen versorgen. Jede Arbeitsmaschine
ist elektrisch eine Reihenschaltung verschiedener Frequenzebenen.
Damit beim dem Ausfall schon eines Umrichters nicht die ganze Arbeitsmaschine bis zur Reparatur dieses ausgefallenen Umformers
stillgesetzt werden muß - was einen erheblichen Produktionsausfall bringt - geht man heute mehr und mehr dazu
über, einen Reserveumrichter zu installieren, der für den ausgefallenen Umrichter einspringen kann.
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Um den reparierten Umrichter wieder einsetzen zu können, war es bisher im allgemeinen notwendig, die Produktion
der Arbeitsmaschine zu unterbrechen, den Reserveumrichter abzuschalten und die Maschine mit dem reparierten Umrichter
erneut anzufahren, da brauchbare Synchronisiereinrichtungen für statische Umrichter in den hier vorliegenden Frequenzbereichen
und Spannungsformen nicht vorhanden sind.
Es hat zwar nicht an Versuchen gefehlt, die aus der klassischen Starkstromtechnik bekannten Synchronisierverfahren
auch hier einzusetzen; die Ergebnisse waren aber keineswegs befriedigend, da in dieser Technologie ein mit Rücksicht
auf den Faden stoßarmer Übergang von einem Umrichtersystem auf das andere System gefordert wird. Diese bisher bekannten
Verfahren beruhten im wesentlichen darauf, die Phasenlage, Frequenz und Spannung der zu synchronisierenden Umrichter
in Art einer Hell-Dunkel-Schaltung an den Ausgängen der
Umrichter abzufragen, abzugleichen und dann umzuschalten. Trotz der scheinbar erreichten Synchronisierung ist es
hierbei immer wieder zu unzulässigen Stromstößen gekommen, die einen sofortigen Ausfall des Umrichters zur Folge hatten
und damit letzten Endes doch das unerwünschte Neuanfahren der Arbeitsmaschine mit all den unangenehmen Folgen wie
Produktionsausfall und Minderungen der Qualität des Ausgangsproduktes in der aufgezwungenen Anfahrphase.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Synchronisiereinrichtung zu schaffen, mit der eine Lastübernahme von einem zum anderen Umrichter stromstoßarm, vollautomatisch
und zuverlässig in einem weiten Frequenzbereich mit verhältnismäßig geringem schaltungstechnischen Aufwand
vorgenommen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
zeitliche Auftreten der Steuerbefehle für die Thyristoren
der einzelnen Umrichter zum Vergleich von Phasenlage und
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Frequenz dient und daß ein vorgegebenes Übereinstimmen
dieser zeitlich selbsttätig gegeneinander verschiebbaren Steuerbefehle innerhalb eines definierten Toleranzbereiches
den Übernahmebefehl beim Übereinstimmen der Spannungen
auslöst. Diese vorgenannte Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß die blockförmige Ausgangsspannung der Umrichter durch
die Gegenspannung der meist für sinusförmige Spannungen ausgelegten Motoren derart verzerrt wird, daß hieraus abgeleitete
Signale für den Synchronisiervorgang nicht verwendbar sind und daß nur aus dem Steuerteil einwandfreie
Synchronisierdaten abgeleitet werden können. Diese Ableitung der Synchronisierdaten aus dem Logikteil hat zusätzlich noch
den Vorteil, daß die sofortige Weiterverarbeitung dieser Signale mit dem gleichen niedrigen Spannungspegel wie im Logikteil
möglich ist.
Durch eine auf diese Weise sichergestellte Synchronisation ist der Arbeitsmaschinenstillstand beim Umschalten von Reserveumrichter
auf den reparierten Originalumrichter ausgeschlossen;
hierdurch werden auch die sich beim Neuanfahren zwangsläufig ergebenden Schwankungen in der Güte der Produktion
vermieden. Zusätzlich zu diesen Vorzügen ist es mit dieser vorgenannten Synchronisiereinrichtung auch möglich, einen
beliebigen Umrichter ohne Unterbrechung der Produktion durch einen Reserveumrichter zu ersetzen und gegebenenfalls zu warten
und zu überholen. Dies hat ganz beträchtliche Vorteile für die betriebliche Wartung und Kontrolle der elektrischen
Einrichtungen.
Um den meß- und schaltungstechnischen Aufwand zu verringern, wird das digitale Referenzsignal für die Phasenlage der zu
synchronisierenden Umrichter auch für die Überwachung der Frequenzgleichheit benutzt. Ein mehrmaliges Übereinstimmen
in der Phasenlage der Umrichter ist bei der Genauigkeit der Referenzsignale gleichzusetzen mit der Übereinstimmung
in der Frequenz.
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Damit kann auf eine.gesonderte Frequenzüberwachung verzichtet
werden.
TJm Phasenübereinstimmung bei z.B. mit digitalen Frequenzgebern arbeitenden und .auf gleiche Frequenz dekadisch voreingestellten
Umrichtern zu erreichen, wird vorteilhafterweise einer der Umrichter um einen im Verhältnis zur Arbeitsfrequenz sehr geringen Frequenzbetrag selbsttätig verändert
und bei Übereinstimmung in der Phasenlage diese Veränderung selbsttätig wieder rückgängig gemacht.
Stimmen die Phasen überein, so wird der synchronisierte Umrichter durch den Übernahmebefehl auf die Lastschiene
geschaltet und zwar überlappend mit dem ersten Umrichter, so daß die Last immer geführt läuft. Erst jetzt wird der
erste Umrichter von der Lastschiene getrennt. Während der Umschaltphase bleiben Phasen- und Frequenzgleichheit, bedingt
durch die mit Quarzgenauigkeit laufenden Geber, mit Sicherheit erhalten.
Die vorliegende Erfindung ist'verwendbar für Umrichter mit
variablem Zwischenkreis durch einen netzgeführten Stromrichter, bzw. durch einen G-Ieichstromsteller oder für Umrichter
mit festem Zwischenkreis und Pulsmodulation im selbstgeführten Stromrichter.
Anhand einer Zeichnung sei die Erfindung näher beschrieben; es . zeigen:
Fig. 1 die Synchronisation zweier Umrichter und Fig. 2 Details der Phasenvergleiohsanordnung.
Aus einem Wechselstromnetz RST mit 50 Hz und 380 V wird ein
statischer Umrichter I gespeist, der an seinem Ausgang eine blockförmige Spannung mit einer einstellbaren Frequenz von
z.B. 20 bis 200 Hz und einer Spannung von 30 bis 360 V abgeben kann. Diese Ausgangsspannung ist über eine Induktivi-
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tat 6 und einen Schalter 7 eines Schützes 8 an eine Lastschiene
9 anschaltbar, an der permanenterregte S'ynchronmotoren 10 zum Antrieb von beispielsweise nicht gezeigten
Spinnpumpen angeschlossen sind. Ferner ist noch ein zweiter Umrichter II dargestellt, der ebenfalls über eine Induktivität
17 und einen von einem Schütz 15 betätigten Schalter
an die Lastschiene 9 angeschlossen werden kann. Die Umrichter I und II, von denen nur der Umrichter I etwas
näher dargestellt ist, bestehen aus einem steuerbaren Gleichrichter 1 bzw. 11, einem Gleichstromzwischenkreis 2 bzw.
und einem sich daran anschließenden Wechselrichter 3 bzw.
Die Spannung im Gleichstromzwisohenkreis und damit die Höhe der Ausgangsspannung wird durch Spannungseinstellgeräte 4
bzw. 13 festgelegt. Die Frequenz der Ausgangsspannung der Wechselrichter 3 bzw. 12 wird durch die Steuerteile 5 bzw.
14 bestimmt,die von digitalen Gebern 51 bzw. 18 angesteuert werden. Diese digitalen Geber haben als Zeitnormal einen
hochgenauen Quarzoszillator.
Der Wechselrichter 3 bzw. 12 besteht im wesentlichen aus einer Brückenschaltung mit !Thyristoren , denen die Zündimpulse
in festgelegter Reihenfolge durch die Steuerteile 5 bzw. 14 zugeführt werden, so daß sich die gewünschte
Ausgangsspannung mit der voreingestellten Frequenz ergibt.
Es sei angenommen, daß der Umrichter I die Lastschiene 9 speist und daß der Umrichter II diese Lastschiene 9 unterbrechungs-
und stromstoßarm übernehmen soll. Hierzu wird zunächst am digitalen Geber 18 (Umrichter II) die gleiche
Frequenz wie am digitalen Geber 51 (numerisch über Dekadenzahlenschalter)
eingestellt. Die Spannungen U1 und U2 der Umrichter I und II werden in der Synchronisiereinrichtung
miteinander verglichen und ein der Abweichung proportionales vorzeichenrichtiges Signal Λ U2 erzeugt, welohes das Spannungseinstellglied
13 so aussteuert, daß sich annähernd gleiche Amplituden der Spannungen ergeben. Diese Spannungsanpassung
ist nicht weiter kritisch und braucht auch nicht hochgenau
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zu sexn.
Zum Vergleich, der Phasenlagen 1 und 2 und der Frequenzen
f1 und f2 der umrichter I,: II werden die jeweils an definierte Thyristoren in beiden Umrichtern gegebenen Zündimpulse
benutzt, z.B. für die mit der Phase R und dem Minuspol verkuppelten
Thyristoren in beiden Umrichtern. Dies ist im Umrichter I der Thyristor 31· Die zeitliche Lage der Zündimpulse
dieser Thyristoren wird als Vergleichssignal für die momentane Phasenlage der Umrichter I und II benutzt. Tritt eine zeitliche
Koinzidenz der Zündimpulse auf, so liegt Phasengleichheit vor. Tritt diese Koinzidenz in mehreren Perioden innerhalb
eines vorgegebenen Toleranzbandes auf, so ist außer der Phasengleichheit auch Frequenzgleichheit gegeben.
Normalerweise sind die Frequenzen durch die digitalen Geber 51 und 18 so genau definiert, daß sich bei gleicher Frequenzeinstellung
die Phasengleichheit nur langsam einstellt. Abhängig von dem Vorhandensein der Phasenungleichheit wird
daher die Frequenz f2 selbsttätig um den fest programmierten Wert Άf2 verändert. Dieser WertAf2 ist der kleinste einstellbare
Frequenzänderungswert, z.B. das kleinste Bit in der Eingabe. Hierdurch verschiebt sich die zeitliche Aufeinanderfolge
vonj.1 und ?2 langsam gegeneinander. Tritt Koinzidenz
auf, d.h. Phasengleichheit, so wird die Veränderung Δf2 rückgängig gemacht, so daß nun auch die Frequenzen
wieder übereinstimmen, was sich dann durch mehrmaliges
Wiederholen der Phasenkoinzidenz bemerkbar machen wird.
Stimmen somit Phase, Frequenz, Amplitude der Ausgangsspannungen
der Umrichter I und II überein, so wird der Umrichter II über den Schalter 16 des Schützes 15 auf die Lastschiene
9 zugeschaltet und der Umformer I über den Schalter 7 des Schützes 8 zeitverzögert abgeschaltet. Der analoge Vorgang,
also Änderung νοηΔϋΙ und Frequenzänderung Δ f1 findet
statt, wenn vom Umformer II auf den Umformer I umgesohaltet
werden soll.Es wird grundsätzlich immer der zuzuschaltende Umrichter beeinflußt, so daß die Lastsohiene mit dem momen-
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- 7 - VPA 73/3019 tanen Umrichter vom Abgleichvorgang nicht berührt wird.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Synchronisierung von Umrichtern mit digitalen Gebern gilt sinngemäß auch
für Umrichter mit analogen Gebern und nachfolgender Analog-Digital-Umsetzung, bei der bei festgestellter Phasenungleichheit
die Frequenz und Phasenlage des zuzuschaltenden Umrichters solange langsam verändert wird, bis Phasen- und Frequenzgleichheit
festgestellt wird.
Anhand von Fig. 2 seien einige nähere Ausführungen zum Aufbau der Synchronisiereinrichtung 20 gemacht.
Die beiden Spannungen U1 und U2 werden an einem Differenzverstärker
28 angelegt und abhängig von der Differenz AU2
das Spannungseinstellglied 13 solange nachgestellt, bis die Differenz ^U2 zu Null wird. Hierdurch schaltet der Grenzwertmelder
27 um und gibt an seinem Ausgang ein Signal ab.
Die von den Zündimpulsen für die Umrichter I und II abgeleiteten Pulse für den Phasenvergleich j*1, §2 gelangen
über Impulsformer 22 zur Einstellung des Toleranzbereiches an ein Undgatter 21. Solange die Pulse zeitlich nicht koinzident
sind, liegt keine Phasengleiohheit vor und damit auch kein Ausgangssignal am Ausgang des Gatters 21· Dies
bedeutet, daß sich der Kippspeicher 23 in einer solchen Stellung befindet, daß sein Ausgangssignal eine definierte
Veränderung Δ f 2 der Frequenz des Umformers II bewirkt; z.B. dadurch, daß das kleinste Bit der Frequenzeinstellung durch
den Kippspeicher 23 verändert wird. Tritt hierdurch Phasengleichheit nach einiger Zeit ein, so gelangen die Pulse
zeitlich koinzident an das Gatter 21. Dieses wird durchlässig und kippt den Kippspeioher 23 zurück, so daß die
Frequenzänderung Δf2 rückgängig gemacht wird. Gleichzeitig
wird auch durch das jedesmal durchgeschaltete Signal am Ausgang des Gatters 21 der Zähler 24 um einen Sehritt
weitergezählt. Bei einem bestimmten Stand des Zählers 24»
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der einer entsprechenden mehrmaligen Phasengleichheit und damit auch Frequenzgleichheit entspricht, gibt auch der
Zähler 24 ein Aus gangs signal at>, so daß die Und-Bedingungen
am Gatter 25 für Spannung, Frequenz und Phasenlage erfüllt sind. Damit wird die Kippstufe 26 angestoßen, so daß Schütz
15 zuschaltet und Schütz 8 verzögert ausschaltet.
5 Ansprüche
2 Figuren
2 Figuren
409832/0044 . g _
Claims (5)
- - 9 - VPA 73/3019Patentansprüche(1 .!Einrichtung zum Synchronisieren selbst- und lastgeführter statischer Thyristor-Umrichter für die Speisung von Drehstrommotoren, insbesondere zur Verwendung in der Chemiefaserindustrie, bei der Phasenlage, Frequenz und Spannung der zu synchronisierenden Umrichter miteinander verglichen und bis zur Übereinstimmung veränderbar sind und bei der bei Übereinstimmung ein Befehl zur Übernahme der Last von einem zum anderen Umrichter abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitliche Auftreten der Steuerbefehle für die Thyristoren (31) der einzelnen Umrichter (I, II) zum Vergleich von Phasenlage (.zf ) und Frequenz (f) dient und daß ein vorgegebenes Übereinstimmen dieser zeitlich selbsttätig gegeneinander verschiebbaren Steuerbefehle innerhalb eines definierten Toleranzbereiches den Übernahmebefehl beim Übereinstimmen der Spannungen (U1, U2) auslöst.
- 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mehrmalige Übereinstimmung in der Phasenlage der Umrichter (I, II) als Kriterium für die Übereinstimmung in der Frequenz dient.
- 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mit digitalen Gebern (51, 18) arbeitenden und auf gleiche Frequenz voreingestellten Umrichtern (I, II) einer der Umrichter um einen im Verhältnis zur Arbeitsfrequenz sehr geringen Frequenzbetrag (.A f1,^f2) selbsttätig veränderbar ist und daß bei Übereinstimmung in der Phasenlage diese Veränderung selbsttätig rückgängig machbar ist.
- 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß durch den Übernahmebefehl ein überlappendes Zu- und Abschalten der Umrichter (I, II) an der Lastschiene (9) vornehmbar ist.- 10 409832/0044-10- VPA 73/3019
- 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß "bei mit analogen !Frequenzgebern arbeitenden Umrichtern ein Stellglied die Frequenz und Phasengleichheit der Umrichter einstellt.409832/0044
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