Beschreibung

Schaltungsanordnung zum selektiven Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen mit unterschiedlichem Induktivitätsbedarf an einem Umrichter-Leistungsteil.

In der Werkzeugmaschinenindustrie, speziell bei Bearbeitungszentren, besteht immer mehr die Notwendigkeit, mindestens zwei Spindeln mit den entsprechenden Antrieben an einem Leistungsteil zu betreiben. In diesem Fall werden für die Bearbeitung z.B. Schruppen und Feinbearbeitung/Schlichtvorgang verschiedenen Spindeln, die jeweils durch eine elektrische

Maschine angetrieben werden, eingesetzt. Die Auswechslung der Spindeln erfolgt in der Regel über einen Werkzeugroboter. Dabei sollen die zwei durch Synchronmotoren angetriebenen Spindeln kostengünstig an einem Leistungsteil betrieben werden.

Die elektrischen Maschinen sind häufig als Synchronmotoren ausgeführt. Aufgrund der Notwendigkeit, die elektrischen Maschinen mit einer bestimmten Leistung im Feldschwächbereich zu betreiben, ist eine Drosselinduktivität als Vorschaltdros- sei (Vorschaltinduktivität) erforderlich, die der Induktivität der jeweiligen elektrischen Maschine angepasst sein muss. Daher wird eine kostengünstige Verschaltung der Drosselinduktivitäten und der elektrischen Maschinen für die beiden Betriebsfälle gesucht.

Im Fall eines Ausfalls des Leistungsteils/Antriebstellers (Impulslöschung) bei einer Maximaldrehzahl der elektrischen Maschine wirkt diese wie ein Generator. Hierbei kann eine Generatorspannung (EMK) bis zu mehreren kV entstehen, die wei- tere Komponenten im Ansteuerkreis schädigen oder zerstören kann. Ein Spannungsschutzmodul VPM (VPM: Voltage Protection Module) begrenzt diese Spannung, z.B. auf maximal 830 V, dadurch, dass die drei Phasenleitungen im entsprechenden Fall

kurzgeschlossen werden. Die Schaltung zum Ansteuern der elektrischen Maschinen einschließlich der zugeordneten Drosselinduktivitäten muss daher derart gewählt sein, dass auch bei Spannungsausfall eine sichere Begrenzung der Generator- Spannung gewährleistet ist.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine vorteilhafte Ver- schaltung der oben genannten Komponenten zur Verfügung zu stellen, wobei die Anzahl der erforderlichen Komponenten auf ein Minimum reduziert werden soll und die Funktion des Spannungsschutzmoduls für den Betrieb beider elektrischer Maschinen gewährleistet bleibt.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach An- spruch 1, sowie durch ein Antriebssystem und ein Verfahren zum Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem Aspekt ist eine Schaltungsanordnung zum selektiven Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen, die jeweils über mehrere Phasenleitungen versorgt werden, umfas- send:

- ein Spannungsschutzmodul zur Begrenzung einer ZwischenkreisSpannung,

- eine Schalteranordnung zum Auswählen einer der elektrischen Maschinen durch Umschalten der Phasenleitungen; - erste Drosselinduktivitäten in jeder der mehreren Phasenleitungen zwischen der Schalteranordnung und dem Spannungsschutzmodul, wobei parallel zu einer oder mehrerer der ersten Drosselinduktivitäten jeweils eine zweite Drosselinduktivität abhängig von der ausgewählten elektrischen Maschine zuschaltbar ist.

Die Schaltungsanordnung ermöglicht in vorteilhafter Weise, die Anzahl der Komponenten, die für einen Betrieb von zwei

elektrischen Maschinen an einem Leistungsteil benötigt werden, zu reduzieren.

Weiterhin kann das Spannungsschutzmodul ausgebildet sein, um die Phasenleitungen abhängig von einer Zwischenkreisspannung kurzzuschließen .

Gemäß einer Ausführungsform kann die zweite Drosselinduktivität durch ein Schütz abhängig von einem Schaltsignal zu- schaltbar sein, wobei das Schaltsignal zum Ansteuern der Schalteranordnung vorgesehen ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Antriebssystem mit der obigen Schaltanordnung und mit mehreren elektrischen Maschi- nen vorgesehen.

Dabei können die ersten Drosselinduktivitäten derart ausgelegt sein, dass eine erste der elektrischen Maschinen im Feldschwächebetrieb betreibbar ist, und die zweiten Drossel- induktivitäten können derart ausgelegt sind, dass eine zweite der elektrischen Maschinen bei in mindestens einer der Phasenleitungen parallel geschalteter erster und zweiter Drosselinduktivität im Feldschwächebetrieb betreibbar ist, wobei bei Auswählen der ersten elektrischen Maschine die zweiten Drosselinduktivitäten nicht zugeschaltet sind und wobei bei

Auswählen der zweiten elektrischen Maschine die zweiten Drosselinduktivitäten zugeschaltet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum selektiven Betrieb von mindestens zwei elektrischen Maschinen vorgesehen, die jeweils über mehrere Phasenleitungen versorgt werden, und wobei ein Spannungsschutzmodul zur Begrenzung einer Zwischenkreisspannung vorgesehen ist, wobei eine der elektrischen Maschinen durch Umschalten der Phasenleitungen ausge- wählt wird, wobei parallel zu einer oder mehreren ersten

Drosselinduktivitäten, die in jeder der mehreren Phasenleitungen zwischen der Schalteranordnung und dem Spannungsschutzmodul angeordnet sind, jeweils eine zweite Drosselin-

duktivität abhängig von der ausgewählten elektrischen Maschine zugeschaltet wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :

FIG 1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit zwei auswählbaren Motoren; FIG 2 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit zwei auswählbaren Motoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

FIG 1 zeigt schematisch eine Grundschaltung 100 zum Betreiben von zwei Motoren 1, 2 an einem Leistungsteil 3. Einer der Motoren 1, 2 wird durch einen Auswahlschalter 4 ausgewählt. Das Leistungsteil 3 ist über ein Spannungsschutzmodul (VPM, VoI- tage Protection Module) 5 mit einem ersten Umschalter 6 und einem zweiten Umschalter 7 mit den Motoren 1, 2 verbunden. Die Umschalter sind als Schütze ausgebildet. Zwischen dem ersten Umschalter 6 und dem zweiten Umschalter 7 befinden sich für jede Phasenleitung eine erste Drosselinduktivität und eine zweite Drosselinduktivität 8, 9, wobei die Umschalter 6, 7 so geschaltet werden, dass entweder die ersten Dros- selinduktivitäten 8 oder die zweiten Drosselinduktivitäten 9 in die Phasenleitungen zwischen dem Spannungsschutzmodul 5 und dem jeweiligen Motor 1, 2 geschaltet werden.

Das Spannungsschutzmodul 5 ist ein Sicherheitsmodul und sorgt dafür, dass im Umrichterzwischenkreis keine höheren Spannungen als 830V entstehen können, somit trägt das Spannungsschutzmodul VPM in erster Linie zum Umrichterschutz bei, außerdem sorgt es dafür, dass die Spindel in einer definierten Zeit gebremst wird. Dies wird durch Kurzschließen der drei Phasenleitungen erreicht.

Die in FIG 1 gezeigte Schaltung weist weiterhin die folgenden Merkmale auf:

Die Motoren entsprechen beispielsweise Spindelmotoren und sind in Synchrontechnik ausgeführt, d.h., dass sich im Rotor Permanentmagnete befinden, die die Erregung des Motors erzeugen .

Aufgrund der Notwendigkeit, die Motoren mit einer bestimmten Leistung im Feldschwächungsbereich zu betreiben, sind die vorgeschalteten Drosselinduktivitäten erforderlich, die jeweils an die Induktivität des jeweiligen Motors 1, 2 ange- passt sein muss.

Im worst-case-Fall - wie z.B. Ausfall des Leistungsteils/Antriebstellers (Impulslöschung) bei der Maximaldreh-zahl des Motors - wirkt der Motor wie ein Generator. Hierbei kann eine EMK bis zu 2kV entstehen. Das Spannungsschutzmodul 5 begrenzt diese Spannung auf maximal 830 V dadurch, dass die drei Phasenleitungen (Leistungsleitungen) kurzgeschlossen werden.

Die Schaltung/Anordnung der Komponenten (Schütze, VPM) muss derart gewählt sein, dass auch bei Spannungsausfall eine sichere Begrenzung der EMK auf den Phasenleitungen gewährleistet ist.

Im Folgenden werden die Anforderungen an die Verschaltung der eingesetzten Komponenten aufgeführt:

Es werden zwei Motoren (Spindeln) mit verschiedenen Parametern im Feldschwächungsbereich mit unterschiedlichen Drosselinduktivitäten (Vorschaltdrosseln) 8, 9 an einem Leistungs- teil 3 betrieben. Dabei ist immer nur ein Motor 1, 2 in Betrieb .

Aufgrund von Kosten soll möglichst nur ein Spannungsschutzmodul 5 zur Anwendung kommen.

Zwei Drosselinduktivitäten je Phasenleitung sind erforderlich, um die beiden Motoren im Feldschwächungsbereich sicher betreiben zu können.

Entsprechende Verschaltung der Umschalter 6, 7 mit den Drosselinduktivitäten 8, 9 müssen die Verbindung zum Motor 1, 2 herstellen .

Vorzugsweise soll gewährleistet sein, dass bei Spannungsausfall das Spannungsschutzmodul 5 mit dem Motor (Spindel) 1, 2 verbunden bleibt, um die Begrenzung der EMK auf 830V zu gewährleisten. Dies ist im obigen Vorschlag der FIG 1 nicht er- füllt, da die als Schütze ausgebildeten Umschalter 6, 7 im

Fehlerfall abfallen. Außerdem würden die hohen Spannungsspitzen die Kontakte der Schütze beschädigen. Somit wären eine Begrenzung der EMK und eine sichere Bremsung des entsprechenden Motors 1, 2 im Fehlerfall nicht gewährleistet.

FIG 2 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bezugszeichen entsprechen Komponenten gleicher oder vergleichbarer Funktion.

Die Schaltungsanordnung 101 der zu verschaltenden Komponenten wurde derart gewählt, dass der worst-case-Fall eines Ausfalls des Leistungsteils 3 sowohl bei Betrieb des Motors 1 als auch des Motors 2 sicher beherrscht wird und somit keine unsicheren Zustände auftreten können.

Bei der Ausführungsform der FIG 2 ist das Spannungsschutzmodul 5 mit dem Leistungsteil 3 über drei Phasenleitungen verbunden. Das Spannungsschutzmodul 5 ist mit einem einer Motoranordnung mit mehreren Motoren 1, 2 über drei Phasenleitungen verbunden. Die Motoranordnung umfasst die über das gemeinsame Leistungsteil 3 anzusteuernden Motoren 1, 2, wobei die Motoren nur einzeln an dem Leistungsteil 3 betreibbar sind. Dazu weist die Motoranordnung einen Umschalter 4 auf, der entsprechend einer Vorgabe den jeweiligen Motor 1, 2 auswählt und mit den Phasenleitungen von dem Spannungsschutzmodul 5 verbindet .

In den Phasenleitungen zwischen dem Spannungsschutzmodul 5 und dem Umschalter 4 befinden sich jeweils eine erste Drosselinduktivität 8.

Parallel zu jeder der ersten Drosselinduktivitäten 8 sind zweite Drosselinduktivitäten 9 ^λ über einen jeweiligen Schalter 10 zuschaltbar. Der Schalter 10 wird abhängig von dem Schalten des Umschalters 4 geschaltet und vorzugsweise mit demselben Signal angesteuert.

Der worst-case-Fall kann z.B. zustande kommen, wenn einer der Motoren 1, 2 mit Maximaldrehzahl läuft und genau zu diesem Zeitpunkt der im Leistungsteil 3 befindliche Umrichter aufgrund eines Netzspannungsausfalls oder eines anderen Fehlers durch Impulslöschung ausfällt.

Drosselinduktivitäten 8, 9' sind erforderlich, um den Motor bei einer bestimmten Leistung im Feldschwächungsbereich zu betreiben. Die Induktivität der entsprechenden Drosselinduk- tivitäten 8, 9' ist von der Leistung des damit zu betreibenden Motors 1, 2, dem gefahrenen Feldschwächungsbetrieb und der erreichbaren Maximaldrehzahl des Motors abhängig.

Ein Vorteil der Schaltungsanordnung der FIG 2 besteht darin, dass die Verschaltung der Komponenten so gewählt wurde, dass die Anforderungen (Begrenzung der EMK im worst-case-Fall) sicher gewährleistet werden. Dies wird durch die stets durchgängige und nicht getrennte Verbindung zwischen dem Spannungsschutzmodul 5, den ersten Drosselinduktivitäten 8 und des gerade ausgewählten Motors 1, 2 erreicht. Dies ist insbesondere auch dann gewährleistet, wenn z.B. durch Spannungsausfall der z.B. als Schütz ausgebildete Schalter 10 seine Schaltstellung verändert.

Die Schaltung hat außerdem den Vorteil, dass ein zusätzliches Schütz zwischen dem Spannungsschutzmodul 5 und den Drosselinduktivitäten 8, 9' nicht erforderlich ist, wodurch die Gesamtanzahl der Komponenten reduzierbar ist.

Der Schalter 10 wird nur bei Einsatz des Motors 2 leitend geschaltet. Hiermit wird über die zugeschaltete Drossel 9' die erforderliche Gesamtinduktivität für Motor 2 hergestellt, wobei sich als Gesamtinduktivität in jeder Phasenleitung die Induktivität der Parallelschaltung von Induktivität 8 und Induktivität 9' ergibt.

Tritt nun der oben beschriebene worst-case-Fall ein, kann der Motorstrom immer über die Drosselinduktivität 8 über das Spannungsschutzmodul 5 fließen und somit wird die EMK des Motors 2 sicher begrenzt.

Als Anzahl der Phasenleitungen ist in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen drei angenommen, wobei die Anzahl der Pha- senleitungen auch größer oder kleiner sein kann. Weiterhin können anstelle von nur zwei Motoren eine beliebige Anzahl von Motoren vorgesehen werden, die einzeln auswählbar sind. Abhängig von dem ausgewählten Motor werden entweder keine zweiten Drosselinduktivitäten oder die dem jeweiligen Motor zugeordneten zweiten Drosselinduktivitäten 9 ^λ parallel zu den ersten Drosselinduktivitäten 8 geschaltet.