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Title:
METHOD FOR OPERATING A TWO-PHASE ROTARY CURRENT CONTROLLER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/015952
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating a two-phase rotary current controller. In order to optimize the operation of a two-phase rotary current controller, magnitudes of a parameter that can be varied in both controllable phases of a two-phase rotary current controller is matched in these phases. In particular, the existing principle of phase-symmetric control with a uniform ignition delay in both controlled outer conductors is abandoned, and a separate ignition delay is stipulated for each of the two controlled outer conductors.

Inventors:
GRIEPENTROG GERD (DE)
FRITSCH ANDREAS (DE)
RUNGGALDIER DIETHARD (DE)
Application Number:
PCT/EP2005/053698
Publication Date:
February 16, 2006
Filing Date:
July 28, 2005
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
GRIEPENTROG GERD (DE)
FRITSCH ANDREAS (DE)
RUNGGALDIER DIETHARD (DE)
International Classes:
H02P1/28; H02M5/257; (IPC1-7): H02P1/28; H02M5/257
Domestic Patent References:
WO2001048903A12001-07-05
Foreign References:
US5682091A1997-10-28
GB1227963A1971-04-15
US4101819A1978-07-18
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines zweiphasigen Drehstromstel¬ lers, dadurch gekennzeichnet, dass die Beträge eines in den beiden steuerbaren Phasen veränderbaren Parameters in diesen Phasen angeglichen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Angleichen der Parameterbeträge auf der Grundlage aktuel ler Messdaten erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Angleichen der Effektivwerte der Ströme in den beiden steuer¬ baren Phasen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Ermitteln einer Zündverzögerung für jede der beiden steuerbaren Phasen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Ermit¬ teln einer DifferenzZündverzögerung aus den Zündverzögerun¬ gen der beiden steuerbaren Phasen.
6. Zweiphasiger Drehstromsteller mit einer Steuereinheit, ausgebildet zum Angleichen der Beträge eines in den beiden steuerbaren Phasen veränderbaren Parameters in diesen Phasen.
7. Drehstromsteller nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit einen Mikroprozessor aufweist.
Description:
Beschreibung

Verfahren zum Betreiben eines zweiphasigen Drehstromstellers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines zweiphasigen Drehstromstellers. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen zweiphasiger Drehstromsteller.

Drehstromsteller dosieren nach dem Prinzip des Phasenan- Schnitts die einer elektrischen Last, insbesondere einer Asynchronmaschine, zugeführte elektrische Leistung. Durch diese Dosierung der zugeführten Leistung kann bei Asynchron¬ maschinen eine Reduzierung von Anlaufströmen und Anlaufmomen¬ ten und damit ein so genannter Sanftanlauf realisiert werden. Als Maß der Dosierung wird die so genannte Zündverzögerung α, die auch als Delay bezeichnet wird, herangezogen. Die am Ausgang des Drehstromstellers angeschlossene Last wird von Stromhalbwellen wechselnder Polarität durchflössen, wobei zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Stromhalbwellen ein durch den Phasenanschnitt bestimmter stromloser Zeitab¬ schnitt liegt.

Normalerweise werden Drehstromsteller in ihrem Leistungsteil mit drei Sätzen antiparalleler Thyristoren ausgerüstet. Da die Kosten für die Thyristoren mit zunehmender Nennleistung der Drehstromsteller jedoch der für das Gesamtgerät kostenbe¬ stimmende Faktor sind, werden auch Drehstromsteller mit nur zwei Sätzen antiparalleler Thyristoren eingesetzt. Bei diesen so genannten zweiphasigen Drehstromstellern ist der verblei- bende Außenleiter als nicht schaltbarer Leiter ausgeführt. Ein Nebeneffekt dieses im Aufbau reduzierten, zweiphasigen Drehstromstellers besteht darin, dass die Effektivwerte der Ströme in den beiden gesteuerten Außenleitern trotz gleicher Phasenanschnittwinkel unterschiedlich sind. Dieser Effekt ist auf die magnetische Wechselwirkung der drei Außenleiterströme in der angesteuerten Asynchronmaschine zurückzuführen und von der Drehrichtung des Netzes bzw. der Asynchronmaschine abhän- gig. Durch die ungleichmäßig hohen Ströme müssen die Leis¬ tungshalbleiter (Thyristoren) sowie deren Kühlkörper auf hö¬ here Werte als erforderlich ausgelegt werden, da eine Beherr¬ schung des jeweils höheren Stromes notwendig ist. Welcher der beiden Ströme in den gesteuerten Außenleitern höher ist, hängt von der Drehrichtung des angeschlossenen Netzes ab und kann demnach variieren. Diesem Effekt wurde bislang dadurch Rechnung getragen, dass die Leistungshalbleiter so ausgelegt sind, dass jeder der beiden Ventilsätze in den beiden gesteu- erten Außenleitern den höheren Strom tragen kann.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb eines zweiphasigen Drehstromstellers zu optimieren. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. einen Drehstromsteller nach Anspruch 6 gelöst.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Beträge eines in den beiden steuerbaren Phasen eines zweiphasigen Dreh¬ stromstellers veränderbaren Parameters in diesen Phasen an- zugleichen.

Insbesondere wird das bisherige Prinzip der phasen¬ symmetrischen Ansteuerung mit einer einheitlichen Zündverzö¬ gerung in den beiden gesteuerten Außenleitern aufgegeben und für jeden der beiden gesteuerten Außenleiter eine eigene Zündverzögerung vorgegeben. Anders ausgedrückt erfolgt eine phasen-unsymmetrische Ansteuerung derart, dass die Effektiv¬ werte der Ströme in den beiden gesteuerten Phasen einander angeglichen werden. Das Angleichen erfolgt dabei insbesondere beim Anlauf der Asynchronmaschine, um die dort auftretenden Parameterunterschiede zu vermeiden. Prinzipiell kann das An¬ gleichen auch während des Normalbetriebes erfolgen.

Durch die mit Hilfe des erfindungsgemäßen „Phase-Balancer- Prinzips" einander angenäherten Parameterwerte, insbesondere Ströme, in den beiden gesteuerten Außenleitern brauchen die verwendeten Ventilsätze (Leistungshalbleiter) nicht mehr auf den zu erwartenden Maximalwert ausgelegt werden. Für einen sicheren Betrieb ist eine Auslegung auf den geringeren Mit¬ telwert aus beiden Außenleitern ausreichend. Hierdurch ist eine deutliche Kosteneinsparung möglich. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der gleichmäßigeren Netzbelastung. Zudem erfolgt eine automatische Parameteran- gleichung auch bei netzseitigen Spannungs-Unsymmetrien.

Mit der vorliegenden Erfindung kann mit zweiphasigen Dreh- Stromstellern annähernd die gleiche Funktionalität hinsicht¬ lich der Reduzierung von Anlaufströmen und Drehmomenten wäh¬ rend des Anlaufs erzielt werden, wie dies mit dreiphasigen Drehstromstellern möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend mit Hil¬ fe von Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:

FIG 1 Phasenanschnitt, Drehzahl und Drehmoment bei einem Drehstromsteller nach dem Stand der Technik, FIG 2 einen Verlauf der Effektivwerte der Ströme sowie die Stromdifferenz bei einem Drehstromsteller nach dem Stand der Technik, FIG 3 Phasenanschnitt, Drehzahl und Drehmoment bei einem erfindungsgemäßen Drehstromsteller und FIG 4 einen Verlauf der Effektivwerte der Ströme sowie die Stromdifferenz bei einem erfindungsgemäßen Drehstromsteiler, FIG 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Als Beispiel dient ein Drehstromsteller (Sanftstarter) zur Phasenanschnittsteuerung für eine Asynchronmaschine, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Lediglich die Ansteue¬ rung des Drehstromstellers, die durch seine Steuereinheit re¬ alisiert wird, weist Modifikationen auf, die einen Betrieb des Drehstromstellers im Sinne der Erfindung ermöglichen. Da die Steuereinheit neben Messeinheiten, wie Stromwandlern und dergleichen, zumeist einen Mikroprozessor oder Mikrocontrol- ler umfasst, sind diese Modifikationen vorzugsweise als ein in dem Mikroprozessor oder MikroController ablaufendes Compu¬ terprogramm oder in einer beliebigen anderen Form, beispiels¬ weise als hartverdrahtete Schaltung, realisiert.

Für das folgende Ausführungsbeispiel wird exemplarisch davon ausgegangen, dass die beiden Außenleiter Ll und L3 gesteuert sind und der (konstruktiv in der Mitte liegende) Außenleiter L2 im Drehstromsteller, beispielsweise mittels einer Kupfer¬ brücke, durchverbunden ist. Erfindungsgemäß sollen nun die Effektivwerte Iirms und I3rms angeglichen werden. Zunächst wird hierzu von der Steuereinheit des Drehstromstellers eine Re¬ gelabweichung Δl berechnet gemäß

Δlk = (Iirms(k)-l3rms(k)) /IN (Gleichung 1)

Der Index k kennzeichnet Werte zum Abtastzeit t = k • TA, wo¬ bei TA im 50 Hz-Netz die Netzperiode mit TA = 20 ms sein kann. Eine Neuberechnung erfolgt in diesem Fall einmal pro Netzperiode. Eine Abtastung kann aber auch alle zwei, drei oder vier Netzperioden usw. erfolgen. Die Regelabweichung nach Gleichung 1 ist dabei auf den Nennstrom IN des Dreh¬ stromstellers normiert, also dimensionslos.

Die „globale" Zündverzögerung α, welche den Zeitraum zwi¬ schen dem Löschen des Stromes und der nächsten Zündung an- gibt, wird von der Steuerung des Drehstromstellers aufgrund der am Gerät eingestellten Parameter (Startspannung, Rampen¬ zeit und dergleichen) in bekannter Weise vorgegeben. Um glei¬ che Effektivwerte in den beiden gesteuerten Außenleitern Ll und L3 zu erhalten, muss aus der „globalen" Zündverzögerung α für jeden gesteuerten Außenleiter, also für jeden Thy¬ ristor-Ventilsatz, eine eigene Zündverzögerung αl und α3 ab¬ geleitet werden. Diese, den Außenleitern Ll und L3 zugeordne- ten Zündverzögerungen werden während des Hochlaufens in der Steuereinheit aus der „globalen" Zündverzögerung α wie folgt berechnet:

c*3(k) = αk + Δαk/2 (Gleichung 2)

Aus Gleichung 2 folgt, dass der Mittelwert der beiden Zünd¬ verzögerungen αl und α3 der „globalen" Zündverzögerung α entspricht, ihre Differenz jedoch der Differenz- Zündverzögerung Δα. Aufgrund der Stromdifferenz Δl wird nun in einem weiteren Schritt die Differenz-Zündverzögerung Δα bestimmt. Dies geschieht auf Basis der nachfolgenden Glei¬ chung:

k-\ Δαk = Ki • TA ^ AIv (Gleichung 3) v=0

Dies bedeutet, dass die Differenz der Ströme in den beiden Außenleitern Ll und L3 vom Beginn des Startvorgangs an über die Zahl der vergangenen Netzperioden aufsummiert wird und aus dieser Summe gemäß Gleichung 3 die Differenz- Zündverzögerung Δα bestimmt wird (zeitdiskreter Integralreg¬ ler) . Die auch als Reglerverstärkung bezeichnete Konstante Ki in Gleichung 3 nimmt vorteilhaft Werte in einem Bereich von etwa 0,03 bis 0,05 in einem 50 Hz-Netz an. Besonders vorteil¬ haft ist dabei ein Ki-Wert von 0,05. Zu große Ki-Werte würden hier zu einer Instabilität des Systems führen.

Es wird also nicht mehr, wie bisher, für jeden Außenleiter bzw. für jeden Ventilsatz der gleiche Phasenanschnitt vorge¬ geben. Vielmehr sind erfindungsgemäß unterschiedliche Phasen¬ anschnitte, also unterschiedliche Zündverzögerungen, für die beiden gesteuerten Phasen vorgesehen. Dabei zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere dadurch aus, dass die Angleichung aufgrund aktueller Messdaten, sozusagen „online" erfolgt. Auf ungenaue Abschätzungen oder Vorabberechnungen muss nicht zurückgegriffen werden.

Die in Gleichung 3 angegebene Berechnungsmethode ist als Bei- spiel zu verstehen und kann selbstverständlich im Sinne der Erfindung modifiziert werden.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den nachfolgend beschriebenen Figuren deutlich.

FIG 1 zeigt den Phasenanschnitt (Delay α) in Grad, die Dreh¬ zahl n in min"1 sowie das Drehmoment M in Nm über der Zeit t in Sekunden für einen herkömmlichen Drehstromsteller. In FIG 2 ist für den gleichen Zeitraum der Verlauf der Effektiv- werte der Ströme II, 12 und 13 sowie die Differenz der Ströme der gesteuerten Außenleiter am Beispiel einer 30 kW- Asynchronmaschine angegeben.

Etwa bei einer Zündverzögerung von α = 77° / 180° • 10 ms = 4,3 ms driften die Stromeffektivwerte in den beiden gesteuer¬ ten Außenleitern Ll und L3 zunehmend auseinander. I3rms über¬ steigt Iirms um ca. 22 Ampere, was etwa 40 % des Nennstromes (IN = 55 Ampere) ausmacht. Die Maximalwerte der effektiven Ströme betragen 202 Ampere (Ll) bzw. 220 Ampere (L3) .

Betreibt man den für die FIG 1 und 2 genutzten Drehstromstel¬ ler mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, so ergeben sich die in den FIG 3 und 4 angegebenen Kennlinien. Dabei ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in FIG 3 für die Differenz- Zündverzögerung Δα der negative, zehnfache Wert dargestellt. Wie aus FIG 4 deutlich wird, sind die Effektwerte Iirms/ I3rms der Ströme in den beiden gesteuerten Außenleitern Ll und L3 einander weitgehend angenähert. Der Maximalwert liegt jetzt für beide Außenleiter bei ca. 210 Ampere, also etwa in der Mitte der Maximalwerte aus FIG 2. FIG 5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Drehstromstellers nach der Erfindung für eine Asynchronma¬ schine (ASM) . Hierbei werden die Ströme in den beiden gesteu¬ erten Außenleitern Ll und L3 mittels Stromwandler gemessen. Das Messsignal wird einem A/D-Wandler eines Mikroprozessors zugeführt. Aus den digitalisierten Werten wird mittels be¬ kannter Verfahren der Effektivwert des Stromes für eine Netz¬ periode berechnet. Die beiden Effektivwerte werden voneinan¬ der abgezogen, auf den Nennstrom IN bezogen und mit dem Fak- tor Ki*TA gewichtet. Der so gewichtete Wert wird einer Sum¬ menbildung unterzogen, woraus die Differenz-Zündverzögerung Δα bestimmt wird. Die Differenz-Zündverzögerung Δα wird je¬ weils von der globalen Zündverzögerung α abgezogen (Ll) oder zu dieser addiert (L3) . Hieraus entstehen die einzelnen Zünd- Verzögerungen αl und α3 für die beiden gesteuerten Außenlei¬ ter Ll und L3. Die beiden Zündverzögerungen αl und α3 werden einer Schaltungslogik zugeführt, die hieraus die entsprechen¬ den Zündimpulse für die Thyristoren generiert.