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Title:
DRIVING MECHANISM FOR INDUSTRIAL INSTALLATIONS, IN PARTICULAR FOR PRIMARY INDUSTRY INSTALLATIONS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1998/034336
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a driving mechanism for components of industrial installations, in particular for primary industry installations. The mechanism has at least one electric motor and at least one converter with driving mechanism variable-voltage link, via which the electric motor is connected to an alternating voltage energy supply network. The converter regulates the active power input and/or the torque and rotational speed of the electric motor from the alternating voltage energy supply network.

Inventors:
KLUG ROLF-DIETER (DE)
SALZMANN THEODOR (DE)
Application Number:
PCT/DE1998/000181
Publication Date:
August 06, 1998
Filing Date:
January 21, 1998
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
KLUG ROLF DIETER (DE)
SALZMANN THEODOR (DE)
International Classes:
B21B31/07; B21B35/00; B21B37/46; G05F1/70; H02M1/12; H02M5/45; H02P5/74; H02P27/06; (IPC1-7): H02P7/62; H02M5/45
Domestic Patent References:
WO1992015148A11992-09-03
Foreign References:
DE4422275A11995-12-21
EP0630099A11994-12-21
FR2161994A11973-07-13
Other References:
SALZMANN T ET AL: "HIGH-POWER DRIVE SYSTEM WITH ADVANCED POWER CIRCUITRY AND IMPROVED DIGITAL CONTROL", 1 January 1991, PROCEEDINGS OF THE INDUSTRY APPLICATIONS SOCIETY ANNUAL MEETING, DEARBORN, SEPT. 28 - OCT. 1, 1991, VOL. VOL. 1, NR. -, PAGE(S) 272 - 278, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, XP000280166
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Claims:
Patentansprüche
1. Antriebseinrichtung für Industrieanlagenteile, insbesonde re für Teile von Anlagen der Grundstoffindustrie, mit zumin dest einem Elektromotor und zumindest einem Umrichter mit Spannungszwischenkreis, über den der Elektromotor mit einem WechselspannungsEnergieversorgungsnetz verbunden ist, wobei der Umrichter die Wirkleistungsaufnahme bzw. Drehmoment und Drehzahl des Elektromotors aus dem Wechselspannungs Energieversorgungsnetz regelt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Antriebseinrichtung die Zwischenkreisspannung (UZK) derart einstellend ausgebildet ist, daß die durch die An triebseinrichtung verursachten Oberschwingungen im Wechsel spannungsEnergieversorgungsnetz (1) im Sinne einer Optimie rung minimiert werden.
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß es die Zwischenkreisspannung (UZK) in Abhängigkeit von Meßwerten der Spannung des WechselspannungsEnergie versorgungsnetzes (1) derart einstellend ausgebildet ist, daß die durch die Antriebseinrichtung verursachten Oberschwingun gen im WechselspannungsEnergieversorgungsnetzes (1) im Sinne einer Optimierung minimiert werden.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie eine ZwischenkreisspannungsBerechnungseinrichtung (8) aufweist, die einen günstigen Zwischenkreisspannungssoll wert in Abhängigkeit der Spannung des Wechselspannungs Energieversorgungsnetzes (1) berechnet.
4. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Umrichter Leistungshalbleiter aufweist, die mittels einer Regeleinrichtung (9) geregelt bzw. gesteuert werden.
5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1,2,3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie eine Meßeinrichtung (7) zur Messung der Spannung, insbesondere der effektiven Spannung (Unetzeff), des Wechsel spannungsEnergieversorgungsnetzes (1) aufweist.
6. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Umrichter als Umrichter mit Gleichspannungs zwischenkreis in Dreipunktschaltung ausgebildet ist.
7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Umrichter als Umrichter mit Gleichspannungs zwischenkreis in nPunktSchaltung ausgebildet ist, wobei n vorzugsweise 2 oder 3 ist, jedoch auch ganzzählige Werte bis 10 annehmen kann.
8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die abschaltbaren Leistungshalbleiter als GTO's, d. h. als Gate Turn Off Thyristors, ausgebildet sind.
9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Umrichter abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, die als MCT's, d. h. als MOS Controlled Thyristors, ausgebil det sind.
10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Umrichter abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, die als Leistungstransistoren, insbesondere als IGBT's, d. h. Insulated Gate Bipolar Transistors, ausgebildet sind.
11. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die abschaltbaren Leistungshalbleiter rückwärts leitend ausgebildet sind.
12. Walzstraße mit einem oder mehreren Walzgerüsten (104,105, 106,107) zum Walzen von Walzgut (103), insbesondere einem Walzband, wobei zumindest ein Walzgerüst mit einer Antriebs einrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ange trieben wird.
13. Walzstraße nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Mehrzahl der Walzgerüste, insbesondere alle Walzgerü ste (104,105,106,107) mit einer Antriebseinrichtung nach ei nem der Ansprüche 1 bis 11 angetrieben werden.
14. Verfahren zum Walzen von Stahl mittels einer Walzstraße gemäß Anspruch 12 oder 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Zwischenkreisspannungen der Umrichter der Antriebs einrichtung eines oder mehrerer Walzgerüste derart einge stellt werden, daß die durch die Antriebseinrichtungen verur sachten Oberschwingungen im WechselspannungsEnergieversor gungsnetz im Sinne einer Optimierung minimiert werden.
15. Stahl, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er nach dem Verfahren gemäß Anspruch 14 gewalzt ist.
Description:
Beschreibung Antriebseinrichtung für Industrieanlagen, insbesondere für Anlagen der Grundstoffindustrie Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für Indu- strieanlagen, insbesondere für Anlagen der Grundstoffindu- strie, mit zumindest einem Elektromotor und zumindest einem Umrichter mit Spannungszwischenkreis.

Drehzahlveränderbare Antriebe hoher Leistung sowie ihre Um- richter belasten die sie speisenden Energieversorgungsnetze in einem erheblichen Maße mit Stromoberschwingung. Daher sind beim Einsatz derartiger Antriebe für ihre Umrichter aufwendi- ge Filterkreise nötig, um diese Oberschwingung zu reduzieren.

Es ist bekannt, Oberschwingungsanteile durch den Einsatz von selbstgeführten Gleichrichtern mit abschaltbaren Leistungs- halbleitern zu verringern. Jedoch kann ein selbstgeführter Gleichrichter bei niedriger Pulsfrequenz, insbesondere bei einer Pulsfrequenz hinab bis zur Grundschwingung des die An- triebseinrichtung speisende Wechselspannungs-Energieversor- gungsnetzes, die Oberschwingung häufig nicht auf ein gefor- dertes Maß zu reduzieren. Damit ist auch bei dieser Lösung der Einsatz aufwendiger Filterkreise notwendig. Dieses Pro- blem tritt insbesondere bei Antrieben für Walzgerüste auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinrichtung anzu- geben, bei dem die Oberschwingung, die in das Energieversor- gungsnetz eingespeist werden, verringert sind. Dabei ist es wünschenswert, die Antriebseinrichtung gegenüber bekannten Antriebseinrichtungen mit geringer Oberschwingung kostengün- stiger zu gestalten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinrich- tung gemäß Anspruch 1 gelöst. Danach wird die Zwischen- kreisspannung des Umrichters derart eingestellt, daß die durch die Antriebseinrichtung verursachten Oberschwingungen

im Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz im Sinne einer Op- timierung minimiert werden. Dabei wird eine grundsätzliche Lehre für den Betrieb von Umrichtern für Industrieanlagen verlassen, wonach die Zwischenkreisspannung auf einen kon- stanten Wert zu regeln ist, der allenfalls in bezug auf die gewünschte Wirkleistungsaufnahme des an den Umrichter ange- schlossenen Elektromotors angepaßt wird. Es hat sich überra- schenderweise gezeigt, daß durch Verlassen dieses grundsätz- lichen Kriteriums für den Betrieb eines Umrichters für An- triebe in Industrieanlagen der Oberschwingungsgehalt stark verringerbar ist. Dies gilt insbesondere bei niedrigen Schaltfrequenzen in einer Größenordnung des ein-bis fünffa- chen der Grundschwingung des Wechselspannungs-Energieversor- gungsnetzes.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Zwi- schenkreisspannung des Umrichters in Abhängigkeit von Meßwer- ten der Spannung des Wechselspannungs-Energieversorgungs- netzes derart eingestellt, daß die durch die Antriebseinrich- tung verursachten Oberschwingungen im Wechselspannungs- Energieversorgungsnetz optimiert und/oder minimiert werden.

Dabei weicht eine Minimierung der Oberschwingungen von ihrer Optimierung ab, wenn die Minimierung bestimmter Oberschwin- gungen unter Inkaufnahme bestimmter anderer Oberschwingungen gewünscht ist. Es hat sich gezeigt, daß die Einstellung der Zwischenkreisspannung des Umrichters in Abhängigkeit von der Spannung des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes, ins- besondere in Abhängigkeit von der Effektivspannung des Wech- selspannungs-Energieversorgungsnetzes, besonders vorteilhaft in dem Sinne einstellbar ist, daß die durch die Antriebsein- richtung verursachten Oberschwingungen im Wechselspannungs- Energieversorgungsnetzes minimiert werden. Dazu wird vorteil- hafterweise eine Meßeinrichtung zur Messung der Spannung, insbesondere der Effektivspannung, des Wechselspannungs- Energieversorgungsnetzes vorgesehen. Beim Einsatz mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen wird vorteilhafterweise nur

eine einzige Meßeinrichtung vorgesehen, auf deren Information alle erfindungsgemäßen Antriebseinrichtungen zugreifen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebseinrichtung eine Zwischenkreisspannungs- Berechnungseinheit auf, die die Zwischenkreisspannung in Ab- hängigkeit der Spannung des Wechselspannungs-Energieversor- gungsnetzes berechnet.

Besonders vorteilhaft kommt die erfindungsgemäße Antriebsein- richtung für Antriebe in einem Leistungsbereich von 1-20 MW, vorteilhafterweise von 2-10 MW, bzw. in bezug auf Stoßlast für einen Leistungsbereich von 2-30 MW vorteilhafterweise von 4-20 MW zum Einsatz.

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.

Der Umrichter der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung kann im übrigen als luftgekühlter Umrichter ausgeführt sein.

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 eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung, FIG 2 eine Zwischenkreisspannungsberechnungseinrichtung, FIG 3 eine Kennlinie zur Ermittlung eines optimalen Aus- steuerungsgrades,

FIG 4 eine Umrichteranordnung zur Speisung eines Drehstrom- motors mit Teilumrichter in Dreipunktschaltung auf der Netz-und Maschinenseite, FIG 5 eine Umrichteranordnung zur beidseitigen Speisung ei- nes Drehstrommotors mit offener Wicklung mit Teil- umrichter in Dreipunktschaltung, FIG 6 den Einsatz einer erfindungsgemäßen Antriebseinrich- tung in einem Walzwerk.

FIG 1 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung. Dabei wird ein Drehstrommotor 6 über einen Umrichter und einen Transformator 2 bzw. Drosseln durch ein Wechselspannungs- Energieversorgungsnetz 1 mit elektrischer Energie versorgt.

Der Umrichter weist einen selbstgeführten Gleichrichter 3 mit abschaltbaren Leistungshalbleitern, einen Gleichspannungszwi- schenkreis 4, dessen Zwischenkreisspannung UZK vom Gleich- richter 3 eingestellt und geregelt wird, sowie einen selbst- geführten Wechselrichter 5 zur Regelung des Drehstrommotors 6 auf. Der selbstgeführte Gleichrichter 3 wird mittels einer Regeleinrichtung 9 derart geregelt, daß sich eine Zwischen- kreisspannung UZK gemäß einem vorgegebenen Sollwert U*ZK ein- stellt. Die Zwischenkreissollspannung U ZK wird mittels einer Zwischenkreisspannungs-Berechnungseinrichtung 8 berechnet, die die Zwischenkreissollspannung U*ZK in Abhängigkeit der Wechselspannung des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 1 ermittelt. Dazu weist die erfindungsgemäße Antriebseinrich- tung vorteilhafterweise eine Meßeinrichtung 7 zur Messung des Effektivwertes Unetz eff der Leiterspannung des Wechselspan- nungs-Energieversorgungsnetzes 1 auf.

FIG 2 zeigt eine Zwischenkreisspannungs-Berechnungseinrich- tung 8 in detaillierterer Darstellung. Das Ausgangssignal ei- ner Aussteuerungsgradvorgabe 11 zur Vorgabe eines optimalen Aussteuerungsgrades im Hinblick auf den Klirrfaktor, d. h. den Oberschwingungsgehalt des Eingangsstromes INetz (vergl.

FIG 1), wird mit der Konstanten 4/z multipliziert. Durch diesen Wert wird die Effektivspannung UnetZ eff des Wechsel-

spannungs-Energieversorgungsnetzes dividiert. In vorteilhaf- ter Ausgestaltung wird die Änderungsgeschwindigkeit der Ef- fektivspannung Unetz eff des Wechselspannungs-Energie- versorgungsnetzes jedoch zunächst durch einen Änderungsbe- grenzer 10 begrenzt. Die minimale Zwischenkreisspannung UZKmin wird so vorgegeben, daß der selbstgeführte Wechselrichter 5 (vergl. FIG 1) eine ausreichend große Wirkleistung an den Drehstrommotor 6 abgeben kann. Die maximale Zwischenkreis- spannung UZKmax wird so vorgegeben, daß die Leistungshalblei- ter des selbstgeführten Gleichrichters 3 und des selbstge- führten Wechselrichters 5 (vergl. FIG 1) nicht geschädigt werden. Das Ausgangssignal des Dividierers 13 wird einem Be- grenzer 14 zugeführt, dessen Grenzwerte die maximale Zwi- schenkreisspannung UZKmax und die minimale Zwischenkreisspan- nung UZKmin sind. Ausgangssignal des Begrenzers 14 ist eine Sollzwischenkreisspannung U*ZK- FIG 3 zeigt den Verlauf des Netzstromklirrfaktors 16 über dem Aussteuerungsgrad 15 des selbstgeführten Gleichrichters. Der Aussteuerungsgrad eines selbstgeführten Gleichrichters ist das Verhältnis von Grundschwingungsscheitelwert der vom Gleichrichter 3 erzeugten Spannung an der Sekundärseite des Transformators 2 zum maximal vom Gleichrichter 3 erzeugbaren Grundschwingungsscheitelwert dieser Spannung. Für verschiede- ne Pulsmuster zur Ansteuerung der Halbleiter des selbstge- führten Gleichrichters 3 gibt es einen optimalen Aussteue- rungsgrad Aopt, für den der Netzspannungsklirrfaktor 16 nahezu minimal ist. Aussteuerungsgrad und Zwischenkreisspannung UZK stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander, das vom Ef- fektivwert der Netzspannung abhängt. Die Zwischenkreisspan- nung UZK wird deshalb derart eingestellt, daß ein optimaler Aussteuerungsgrad Aopt bei dem jeweils vorhandenen Netzspan- nungseffektivwert erreicht wird.

FIG 4 zeigt eine Umrichteranordnung zur Speisung einer Dreh- strommaschine, wobei der netzseitige Teilumrichter 33 und der motorseitige Teilumrichter 34 mit GTO's in Dreipunktschal-

tung, jeweils gleich, ausgeführt sind. Es ist jeweils der Hauptstromkreis eines Phasenbausteins mit seinem Beschal- tungsnetzwerk 40 bzw. 41 dargestellt. Die Teilumrichter 33 und 34 bestehen jeweils aus 3 solchen Phasenbausteinen mit Be- schaltungsnetzwerk. Der P-seitige Zwischenkreiskondensator 37 bildet gemeinsam mit dem N-seitigen Zwischenkreiskondensator 39 den Gleichspannungszwischenkreis, über den die beiden Teilumrichter verbunden sind. Der P-seitige Beschaltungsrück- ladewiderstand 36 und der N-seitige Beschaltungsrückladewi- derstand 38 sind mit der jeweiligen Seite der Beschaltungs- netzwerke 40 bzw. 41 verbunden.

Der netzseitige Teilumrichter 33 ist eingangsseitig über den Transformator 31 und dem Leistungsschalter 32 mit dem Netz 30 verbunden. Der maschinenseitige Teilumrichter 34 ist aus- gangsseitig mit dem Drehstrommotor 35 verbunden.

Bei der Anordnung in FIG 5 ist ein erster Umrichter 74 und ein zweiter Umrichter 75 ausgangsseitig jeweils mit einer Seite 71 und 72 der offenen dreiphasigen Wicklung des Dreh- strommotors 73 verbunden. Durch diese Anordnung wird neben einer Leistungsverdoppelung ein besonders vorteilhaftes Be- triebsverhalten erreicht, da, entsprechend abgestimmtes Puls- verfahren vorausgesetzt, selbst bei niedriger Schaltfrequenz der GTO-Thyristoren weitgehend sinusförmiger Stromverlauf im Motor mit geringem Oberschwingungsgehalt erreicht wird.

Netzseitig ist der erste Umrichter 74 über eine optionale netzseitige Zusatzinduktivität 63 und einen ersten Transfor- mator 61 z. B. in Stern/Dreieckschaltung mit dem Energiever- sorgungsnetz 60 verbunden. Der zweite Umrichter 75 ist über eine optionale netzseitige Zusatzinduktivität 64 und einen zweiten Transformator 62 vorteilhafterweise um elektrisch 30° gegenüber dem ersten Transformator 61 versetzt (z. B. in Stern/Sternschaltung) mit dem Energieversorgungsnetz 60 ver- bunden. Durch diese Anordnung kommt es am Netz zu besonders günstigen Netzrückwirkungen, insbesondere wenn, wie im vor-

liegenden Beispiel, die Umrichter aus Teilumrichtern in Drei- punktschaltung bestehen. Es kommt dabei selbst bei Grund- schwingungstaktung der selbstgeführten Netzstromrichter zu sinusförmigem Stromverlauf mit sehr geringem Oberschwin- gungsgehalt.

Die beiden Umrichter 74 und 75 weisen jeweils netzseitige Teilumrichter 66 bzw. 65 und maschinenseitige Teilumrichter 69 bzw. 70 auf, die jeweils über einen Gleichspannungszwi- schenkreis 67 bzw. 68 verbunden sind. Die beiden Gleichspan- nungszwischenkreise 67 bzw. 68 sind voneinander elektrisch ge- trennt. Alle Teilumrichter 66,65,69,70 sind in Dreipunkt- schaltung, vorzugsweise mit RC-GTO's, ausgeführt.

FIG 6 zeigt den Einsatz von erfindungsgemäßen Antriebsein- richtungen in einem Walzwerk. 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 Umrichter 95,96,97,98 weisen einen selbstgeführten Gleichrichter 3 mit Regelung 9, einen Span- nungszwischenkreis 4, einen selbstgerichteten Wechselrichter 5, eine Zwischenkreisspannungs-Berechnungseinrichtung 8 sowie optional eine Meßeinrichtung 7 auf. In alternativer Ausge- staltung dazu wird eine Meßeinrichtung 7 verwendet, deren Meßwerte allen Antriebseinrichtungen zugeführt werden.

Bei höheren Leistungen kommt für die genannten Transformato- ren 91,92,93,94, Umrichter 95,96,97,98 und Motoren 99,100,101,102 jeweils die Schaltung gemäß FIG 5 mit je 2 Transformatoren, 2 Umrichtern und offenen Motorwicklungen zum Einsatz.