Beschreibung

Festdrehzahl-Antrieb

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festdrehzahl-Antrieb.

Im Handel erhältliche Festdrehzahl-Antriebe bestehen aus einem Asynchronmotor und einer Stern-Dreieck-Anlassschaltung oder einem Sanftstarter. Der Wirkungsgrad von Asynchronmoto- ren ist gegenüber Synchromotoren deutlich geringer. Synchro- motoren können allerdings nicht mittels einer Stern-Dreieck- Anlassschaltung oder einem Sanftstarter anlaufen. Um Synchromotoren anlaufen zu lassen, muss entweder der Synchromotor mit einem Anlaufkäfig versehen werden, oder der Synchromotor wird von einem Spannungszwischenkreis-Umrichter gespeist, wie bei einem Drehzahlveränderbarem Antrieb. Durch den Anlaufkä- fig verschlechtert sich die Ausnutzung des Motors. Wird ein Umrichter verwendet, so verschlechtert sich deutlich der Ge- samt-Wirkungsgrad des Festdrehzahl-Antriebs.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb mit einem Synchronmotor anzugeben, der mit fester Drehzahl bei einem maximalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Um einen Antrieb mit einem hohen Wirkungsgrad zu erhalten, wird als Synchronmotor ein permanenterregter Synchronmotor vorgesehen. Damit dieser auch anlaufen kann, wird ein Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einer Schaltvorrichtung verwendet, mit der wechselspannungsseitige Anschlüsse des selbstgeführten Pulsstromrichters, an denen der permanenterregte Synchronmotor angeschlossen ist, mit wechselspannungs- seitigen Anschlüssen des Diodengleichrichters, an denen ein speisendes Netz angeschlossen ist, verbunden werden können.

Durch diese Schaltvorrichtung wird der Spannungszwischenkreis-Umrichter nur für den Hochlauf des permanenterregten Synchronmotors benutzt. Aus diesem Grund kann dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter sehr kostengünstig ausgeführt sein. Das heißt, dass der Umrichter keinen Lüfter mehr benötigt und dass weitestgehend auf einen Kühlkörper verzichtet werden kann. Außerdem sind keine Schnittstellen zur Steuerung des Spannungszwischenkreis-Umrichters mehr erforderlich. Ferner ist es nicht erforderlich, eine Netzspannung eines spei- senden Netzes, an dem der hochgelaufene permanenterregte Synchronmotor angeschlossen ist, zu erfassen. Somit kann der Spannungszwischenkreis-Umrichter derart kompakt aufgebaut werden, dass dieser mit dem Motor eine Baueinheit bildet. Beispielsweise kann dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter in einem Klemmenkasten, insbesondere einem vergrößerten Klemmenkasten, des permanenterregten Synchronmotors untergebracht werden .

Die Schaltvorrichtung weist pro Phase des permanenterregten Synchronmotors bzw. des selbstgeführten Pulsstromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters einen Kontakt auf. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Kontakte dieser Schaltvorrichtung im Spannungszwischenkreis-Umrichter werden diese Kontakte der Schaltvorrichtung stromlos eingeschaltet. Beim Ausschalten dieser Kontakte kommutiert der Motorstrom auf einen Zwischenkreis-Kondensator des Spannungszwischenkreis- Umrichters. Somit können die Kontakte dieser Schaltvorrichtung sehr kostengünstig ausgeführt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Festdrehzahl- Antriebs ist die Steuerung des Spannungszwischenkreis- Umrichters mit einem Ein-/Ausschalter versehen. Dadurch erfolgt das Hochfahren des permanenterregten Synchronmotors nicht mehr automatisch beim Anlegen einer Netzspannung eines speisenden Netzes. Erst wenn der Ein-/Ausschalter betätigt wird, wird der permanenterregte Synchronmotor hochgefahren. Dadurch kann auf ein vorgelagertes Netzschütz verzichtet werden .

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Festdrehzahl- Antriebs sind den Unteransprüchen 4 bis 7 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Festdrehzahl-Antriebs schematisch veranschaulicht sind.

FIG 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform des Festdrehzahl-Antriebs nach der Erfindung, die

FIG 2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Festdrehzahl- Antriebs und in der

FIG 3 ist ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform des Festdrehzahl-Antriebs nach der Erfindung dargestellt .

In der Figur 1 sind mit 2 ein permanenterregter Synchronmotor, mit 4 ein Spannungszwischenkreis-Umrichter, mit 6 ein speisendes Netz, insbesondere ein Drehstromnetz, bezeichnet. Der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 weist netzseitig einen Diodengleichrichter 8 und motorseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter 10 auf. Gleichspannungsseitig sind der Diodengleichrichter 8 und der selbstgeführte Pulsstromrichter 10 mittels eines Spannungszwischenkreises, der einen Zwischenkreis-Kondensator 12 aufweist, elektrisch parallel geschaltet. Ferner weist der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 eine Steuerung 14 auf. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse 16, 18 und 20 des Diodengleichrichters 8 sind jeweils mit einer Phase R, S oder T des speisenden Netzes 6 verknüpft. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse 22, 24 und 26 des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 sind mit Phasen U, V oder W des permanenterregten Synchronmotors 2 elektrisch leitend verbunden. Der selbstgeführte Pulsstromrichter 10 weist als Stromrichterventile Tl bis T6 jeweils einen abschaltbaren Halbleiterschalter, insbesondere einen Integrated Gate Bipo-

lar Transistor (IGBT), auf. Diese Stromrichterventile Tl bis T6, die in einer B6-Schaltung angeordnet sind, sind steue- rungsseitig jeweils mit der Steuerung 14 verknüpft.

Ein derartig beschriebener Spannungszwischenkreis-Umrichter entspricht einem im Handel erhaltlichen Spannungszwischenkreis-Umrichter 4, auch als Frequenzumrichter bezeichnet, der zum Antreiben von Asynchronmotoren verwendet wird.

Erfindungsgemaß ist dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 mit einer Schaltvorrichtung 28 versehen, die derart im Umrichter 4 angeordnet ist, dass deren Kontakte die wechsel- spannungsseitigen Anschlüsse 16, 18, 20 des Diodengleichrichters 8 mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen 22, 24 und 26 des selbstgefuhrten Pulsstromrichters 10 verbinden. Steuerungsseitig sind die Kontakte der Schaltvorrichtung 28 mit der Steuerung 14 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 verknüpft. Diese Schaltvorrichtung 28 verbindet den permanenterregten Synchronmotor 2 bei geschlossenen Kontakten di- rekt mit dem speisenden Netz 6, wodurch der selbstgefuhrte Pulsstromrichter 10 überbrückt ist. Deshalb wird diese Schaltvorrichtung 28 auch als Uberbruckungsschaltvorrichtung bezeichnet. Der selbstgefuhrte Pulsstromrichter 10 wird somit nur beim Hochlaufen des permanenterregten Synchronmotors 2 verwendet.

Wegen dieser eingeschränkten Benutzungshandlung des selbstgefuhrten Pulsstromrichters 10 kann dieser sehr kostengünstig ausgeführt werden. Das heißt, es wird für die Kühlung der Stromrichterventile Tl bis T6 des selbstgefuhrten Pulsstromrichters 10 kein Lufter mehr benotigt. Außerdem kann weitest- gehend auf einen Kühlkörper für diese Stromrichterventile Tl bis T6 verzichtet werden. Ferner kann auf Schnittstellen zur Steuerung 14 dieses Umrichters 4 verzichtet werden, da wah- rend des Betriebs des permanenterregten Synchronmotors 2 mit einer festen Drehzahl der selbstgefuhrte Pulsstromrichter 10 nicht in Betrieb ist. Da, wie bereits erwähnt, der selbstgefuhrte Pulsstromrichter 10 nur für den Hochlauf des perma-

nenterregten Synchronmotors 2 verwendet wird, kann der Zwischkreis-Kondensator 12 gegenüber einem im Handel erhältlichen Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 in seiner Speicherkapazität wesentlich geringer dimensioniert werden. Dadurch wird auch keine Vorladeschaltung mehr benötigt.

Die Kontakte der Schaltvorrichtung 28 werden stromlos eingeschaltet. Beim Ausschalten kommutiert der Strom auf den Zwischenkreis-Kondensator 12 des Spannungszwischenkreis- Umrichters 4. Deswegen können die Kontakte der Schaltvorrichtung 28 sehr kostengünstig ausgeführt werden. Anstelle von mechanischen Kontakten kann diese Schaltvorichtung 28 auch elektronische Kontakte aufweisen. Als elektronische Kontakte werden bevorzugt abschaltbare Halbleiterschalter verwendet, die einen Wechselstrom führen können. Welcher abschaltbare Halbleiterschalter zur Anwendung kommt, hängt vorrangig vom Leistungsbedarf des permanenterregten Synchronmotors 2 ab.

In dieser ersten Ausführungsform des Festdrehzahl-Antriebs nach der Erfindung weisen zwei Ausgänge 22 und 24 des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 jeweils eine Strommessvorrichtung 30 und 32 auf. Ausgangsseitig sind diese Strommessvorrichtungen 30 und 32 mit der Steuerung 14 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 verknüpft. Mit diesen Strommessvor- richtungen 30 und 32 werden die Umrichter-Ausgangsströme gemessen .

Damit der permanenterregte Synchronmotor 2 bei einer unveränderlichen konstanten Drehzahl aus dem speisenden Netz 6 be- trieben werden kann, muss die Steuerung 14 eine Synchronisation und einen Hochlauf des permanenterregten Synchronmotors 2 vornehmen. Erst wenn der permanenterregte Synchronmotor 2 auf das speisende Netz 6 synchronisiert ist, wird dieser auf seine vorbestimmte Festdrehzahl hochgefahren.

Zur Synchronisation können beispielsweise zwei Netzspannungen des speisenden Netzes 6 bzw. deren Vorzeichen verwendet werden. Alternativ können ebenfalls die Spannungen über zwei

Kontakte der Schaltvorrichtung 8 ermittelt werden. Bei beiden Ausführungsformen werden weitere Messvorrichtungen benötigt, die Platz beanspruchen und Kosten verursachen.

Die Synchronisation kann aber auch ohne diese zusätzlichen Messvorrichtungen durchgeführt werden, wie im Folgenden beschrieben wird:

Nachdem der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 des Festdreh- zahl-Antriebs an ein speisendes Netz 6 angeschlossen ist, lädt sich sein Zwischenkreis-Kondensator 12 auf. Sobald dieser aufgeladen ist, wobei - wie bereits erläutert - keine Vorladeschaltung benötigt wird, ermittelt die Steuerung 14 aus dem Verlauf der Zwischenkreisspannung U _zw Amplitude und Frequenz des speisenden Netzes 6. Aus der Amplitude dieser

Zwischenkreisspannung U _zw wird auf die Amplitude des speisenden Netzes 6 geschlossen, da die Zwischenkreisspannung U _Z w die gleichgerichtete Wechselspannung des speisenden Netzes 6 ist. Da zur Gleichrichtung der Spannung des speisenden Netzes 6, insbesondere eines Drehstromnetzes 6, ein Diodengleichrichter 8, insbesondere in einer so genannten B6-Schaltung, verwendet wird, weist die Zwischenkreisspannung U _zw am Zwischenkreis-Kondensator 12 einen Wechselanteil auf, dessen Frequenz der 6-fachen Netzfrequenz entspricht.

Um die Phasenlage der Spannung des speisenden Netzes 6 bezüglich dieser Zwischenkreis-Schankungen ermitteln zu können, wird ein Kontakt der Schaltvorrichtung 28 geschlossen. Anschließend wird für eine sehr kurze Zeit, beispielsweise lOμs, ein oberes Stromrichterventil Tl, T3 oder T5 korrespondierend zum geschlossenen Kontakt der Schaltvorrichtung 28 geschlossen. Bleibt der zugehörige Umrichterstrom Null, so ist die zugehörige Netzspannung gerade die größte der drei Netzspannungen des speisenden Netzes 6. Ist das nicht so, wird dieser Testpuls zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise 60° el. später, wiederholt. Auf diese Weise wird die Phasenlage der Netzspannung des speisenden Netzes 6 ohne Spannungserfassung ermittelt. Zur Erkennung der Phasenfolge

des speisenden Netzes wird diese Sequenz, bestehend aus Schließen eines Kontaktes der Schaltvorrichtung 28, Testsignal auswerten, in einer zweiten Umrichterphase wiederholt.

Nach der Synchronisation sind die Kontakte der Schaltvorrichtung 28 im geöffneten Zustand und der an den Ausgängen 22, 24 und 26 des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 angeschlossene permanenterregte Synchronmotor 2 wird mittels des selbstgeführten Pulsstromrichters 10, dessen Stromrichterventile Tl bis T6 von der Steuerung 14 angesteuert werden, auf eine vorbestimmte Festdrehzahl hochgefahren. Die Drehrichtung des permanenterregten Synchronmotors 2 wird aus der zuvor ermittelten Phasenfolge des speisenden Netzes 6 ermittelt. Der Drehzahl-Sollwert der Festdrehzahl des permanenterregten Syn- chronmotors 2 wird aus der Netzfrequenz des speisenden Netzes 6 bestimmt. Das Hochfahren des permanenterregten Synchronmotors 2 entspricht einer Drehzahlregelung von Drehzahl Null auf einen vorbestimmten Drehzahl-Sollwert. Für diese Drehzahlregelung kommen bekannte geberlose Verfahren zum Einsatz. In der Endphase des Hochlaufs wird der permanenterregte Synchronmotor 2 auf eine gemessene oder eine nachgebildete Netzspannung synchronisiert. Sobald der permanenterregte Synchronmotor 2 synchron zur Netzspannung des speisenden Netzes 6 umläuft, werden die Steuersignale für die Stromrichterven- tile Tl bis T6 des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 gesperrt und alle Kontakte der Schaltvorrichtung 28 geschlossen. Dies kann für alle Phasen gleichzeitig oder aber nacheinander erfolgen.

Die Kontakte der Schaltvorrichtung 28 bleiben so lange im geschlossenen Zustand, solange der permanenterregte Synchronmotor 2 mit einer vorbestimmten Festdrehzahl betrieben werden kann. Durch die ständige Auswertung der erfassten Zwischen- kreisspannung U _zw bezüglich Amplitude und Rippel-Frequenz wird auf den Zustand des speisenden Netzes 6 geschlossen.

Fällt das speisende Netz 6 einmal aus, so wird dieser Zustand mittels der erfassten Zwischenkreisspannung U _zw erkannt. In diesem Fall werden die Kontakte der Schaltvorrichtung 28 ge-

öffnet und der permanenterregte Synchronmotor 2 mittels des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 auf dem vorbestimmten Drehzahl-Sollwert gehalten. Kehrt die Netzspannung des speisenden Netzes 6 wieder zurück, wird der permanenterregte Syn- chronmotor 2 auf die wiederkehrende Netzspannung des speisenden Netzes 6 synchronisiert.

Wegen der Schaltvorrichtung 28 wird der selbstgeführte Pulsstromrichter 10 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 nur während des Hochlaufs des permanenterregten Synchronmotors 2 verwendet. Deshalb ist die im selbstgeführten Pulsstromrichter 10 des Umrichters 4 entstehende Verlustenergie sehr gering. Zur Entwärmung des selbstgeführten Pulsstromrichters 10 wird deshalb ein wesentlich kleinerer Kühlkörper benötigt, auf den gegebenenfalls ganz verzichtet werden kann. Auf eine Zwangsbelüftung kann ganz verzichtet werden. Das heißt, es wird kein Lüfter mehr benötigt.

In einer zweiten Ausführungsform des Festdrehzahl-Antriebs nach der Erfindung wird gemäß der Figur 2 die Strommessvorrichtung 30 und 32 jeweils in einer Motor-Zuleitung 34 und 36 angeordnet. Ansonsten sind die beiden Ausführungsformen identisch. Durch diese andere Anordnung der beiden Strommessvorrichtungen 30 und 32 wird anstelle des Umrichter-Ausgangs- Stroms der Motorstrom ermittelt. Somit kann die Steuerung 14 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 4 im Betrieb des permanenterregten Synchronmotors 2 auch den Schutz dieses Synchronmotors 2 übernehmen.

In einer weiteren Ausführungsform des Festdrehzahl-Antriebs ist der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 gemäß Figur 3 mit einem Ein-/Ausschalter 38 versehen, der signaltechnisch mit der Steuerung 14 verknüpft ist. Dadurch wird der Hochlauf eines angeschlossenen permanenterregten Synchronmotors 2 nicht automatisch beim Zuschalten eines speisenden Netzes 6 gestartet. Zum Starten des Hochlaufs eines permanenterregten Synchronmotors 2 muss dieser Ein-/Ausschalter 38 betätigt wer-

den. Dadurch kann auf ein vorgelagertes Netzschütz verzichtet werden .

Da in allen drei Ausführungsformen des Festdrehzahl-Antriebs nach der Erfindung der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 gegenüber einem handelsüblichen Umrichter wegen eines kleineren Zwischenkreis-Kondensators 12 und einer geringeren Verlustleistung räumlich weniger Platz beansprucht, bilden der per- mamenterregte Synchronmotor 2 und der Spannungszwischenkreis- Umrichter 4 des Festdrehzahl-Antriebs eine Baueinheit. Vorzugsweise wird der Spannungszwischenkreis-Umrichter 4 im Klemmenkasten des permanenterregten Synchronmotors 2 untergebracht, der gegebenenfalls etwas vergrößert ist. Somit erhält man einen permanenterregten Synchronmotor 2 mit integriertem Anlaufgerät.

Durch die erfindungsgemäße Verschaltung einer Schaltvorrichtung 28 in einem handelsüblichen Spannungszwischenkreis- Umrichter 4 erhält man einen Sanftstarter für einen perma- nenterregten Synchronmotor 2. Dadurch erhält man einen Festdrehzahl-Antrieb mit einem hohen Wirkungsgrad, der ebenfalls robust gegenüber einem schwachen Netz ist.