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SYSTEM ZUR VORLADUNG EINES ZWISCHENKREISKONDENSATORS üBER EINE VERSORGUNGSSPANNUNG SOWIE ZUGEHöRIGES VERFAHREN

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren.

Es sind Umrichter bekannt, die einen aus dem einphasigen oder mehrphasigen Wechselspannungsnetz versorgbaren Gleichrichter umfassen, dem ein Glättungskondensator, der auch als Zwischenkreiskondensator bezeichnet wird, nachgeschaltet ist. Aus dem Zwischenkreis wird bekannterweise eine

Wechselrichterendstufe versorgt, die aus der unipolaren Zwischenkreisspannung eine dreiphasige Wechselspannung erzeugt, mit der ein Drehstrommotor gespeist wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine rückspeisefähige Einheit weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 16 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System sind, dass es einen über zumindest einen Gleichrichter beladbaren Kondensator, insbesondere Zwischenkreiskondensator, umfasst, wobei zumindest ein Mittel zur Vorladung des Kondensators aus einer Versorgungsspannung vorgesehen ist.

Von Vorteil ist dabei, dass eine Vorladung aus einer Versorgungsspannung, die nicht die Netzwechselspannung ist, ausgeführt wird. Somit ist ein langsames strombegrenztes Aufladen des Kondensators ausführbar. Hohe Ströme beim Anschalten eines leeren Kondensators ans Netz sind somit verhindert. Vorteiligerweise sind jedoch keine strombegrenzenden Mittel zwischen Netz und Kondensator notwendig und somit ein sehr dynamisches Verhalten ausführbar, also schnelle Wechsel beim Leistungsbedarf der Verbraucher schnell aus dem Netz befriedigbar. Vorlademittel für den Kondensator sind somit entbehrlich und daher die Standzeit erhöht.

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Die Versorgungsspannungsquelle ist also vorzugsweise derart gestaltet, dass sie geringere Ströme und Spannungen zu liefern vermag als das Netz.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Mittel einen DC/DC-Wandler, insbesondere Hochsetzsteller. Von Vorteil ist dabei, dass eine Strombegrenzung mittels der Auslegung und Dimensionierung des Wandlers ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Versorgungsspannung eine Gleichspannung, insbesondere zur Versorgung von Steuer- und/oder Signalelektronik, insbesondere beträgt sie im Wesentlichen 24 Volt. Von Vorteil ist dabei, dass eine unabhängige externe Steuerspannung der industriellen Anlage verwendbar ist. Die industrieübliche 24 Volt Versorgung liefert beispielsweise bis zu 8 Ampere und ist separat verlegt. Somit ist nicht nur die Ausfallsicherheit der Steuerelektronik des Systems erhöht sondern auch ein Vorladen, also ein Verzicht auf Lademittel für den Kondensator, ermöglicht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Gleichrichter aus einem einphasigen Wechselstromnetz oder mehrphasigen Wechselstromnetz, insbesondere Drehstromnetz, versorgbar, insbesondere abhängig vom Schaltzustand eines Schalters, wie Netzschütz oder dergleichen. Von Vorteil ist dabei, dass ein sicherer Schutz gewährleistbar ist mittels des öffnens des Schützes. Erst wenn der Schütz geschlossen wird, ist das Netz mit dem Kondensator über zumindest den Gleichrichter verbunden

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das System als Versorgungsmodul ausgeführt und die Verbraucher sind ebenfalls als Module ausgeführt, die über eine Stromverschienung miteinander elektrisch lösbar verbindbar sind. Von Vorteil ist dabei, dass ein modularer Aufbau erreichbar ist und somit ein den Anforderungen schnell und einfach anpassbares System erzeugbar ist. Außerdem ist nur eine geringe Teileanzahl und somit ein geringes Lagervolumen bei einer hohen Varianz der erzeugbaren System-Varianten notwendig.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Versorgungsspannung einen kleineren Wert, Effektivwert oder Mittelwert auf als der Effektivwert der Wechselspannung des Wechselstromnetzes. Von Vorteil ist dabei, dass der Kondensator nur langsam beladbar ist und somit auch ein Schutz vor zu hohen Strömen ausgeführt ist. Bei Ausfall der Versorgungsspannung ein Zuschalten des Netzes verhindert, da die Steuerelektronik, insbesondere also auch die Signalelektronik, nicht versorgt ist.

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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist aus der Versorgungsspannung die Signalelektronik versorgt, welche auch Mittel zur Erzeugung von pulsbreitenmodulierten Ansteuersignalen für Leistungsschalter umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass eine sinusförmige Rückspeisung ins Netz ausführbar ist. Dabei wird vorzugsweise eine Pulsbreitenmodulationsfrequenz von mehr als 1 kHz verwendet, beispielsweise 4, 8, 12 oder 16 kHz.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Gleichrichter Dioden und jeder Diode ist zumindest ein elektronischer Leistungsschalter, insbesondere IGBT, MOSFET oder dergleichen, zugeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass eine sinusförmige Rückspeisung ausführbar ist, indem Mittel zur Erfassung der Netzspannung an drei Netzphasen vorgesehen sind, womit dann Betrag und Richtung des Netzspannungszeigers bestimmt werden. Wenn nur an zwei Netzphasen Spannungserfassungsmittel vorgesehen sind, ist die dritte rechnerisch bestimmbar. Zwischen den Mitteln und dem Netzwechselrichter, umfassend Gleichrichter und Leistungsschalter, sind noch die Netzdrossel, insbesondere auch als Netzstellerdrossel 12 bezeichnet, und ein Netzfilter 11 sowie Stromerfassungsmittel anordenbar.

Auf diese Weise ist eine Regelung der Zwischenkreisspannung auf einen Arbeitswert, beispielsweise 750 Volt, hin ausführbar. Die Schalter der Endstufe arbeiten sozusagen als Hochsetzsteller. Der Arbeitswert liegt also über demjenigen Wert der Zwischenkreisspannung, die beim bloßen Beladen des Zwischenkreiskondensators und dauerhaft geöffneten Schaltern der Endstufe ohne Leistungsentnahme durch Verbraucher sich einstellen würde, also beispielsweise 560 Volt.

Wenn auch bei motorischem Betrieb der Verbraucher die Schalter der Endstufe pulsbreitenmoduliert betrieben werden, ist somit ein Vierquadrantensteller, also eine rückspeisefähige AC/DC-Wandlereinheit mit sinusförmiger Stromaufnahme realisiert.

Statt der vor dem Gleichrichter angeordneten Stromerfassungsmittel ist auch ein

Stromerfassungsmittel für den Zwischenkreisstrom verwendbar, wenn die Schalterstellung zum Messzeitpunkt berücksichtigt wird.

Insbesondere ist also mittels der Leistungsschalter Energie aus dem Kondensator ins Wechselstromnetz rückspeisbar.

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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zur Erfassung der Spannung am Kondensator, insbesondere Zwischenkreiskondensator, verbunden mit der Signalelektronik. Von Vorteil ist dabei, dass die Spannung am Kondensator überwachbar ist und außerdem abhängig von der Spannung beim Rückspeisen die Pulweitenmodulationsdauer anpassbar ist, also bei gleichem zu stellenden Netzspannungswert und bei höherer Spannung am Kondensator der geöffnete Zustand des Schalters kürzer ist als bei kleinerer Spannung am Kondensator. Die Zwischenkreisspannung wird auf einen Arbeitswert, beispielsweise 750 Volt, hin geregelt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Mittel zum Vergleichen der erfassten Spannung mit zumindest einem ersten und einem zweiten kritischen Wert vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass ein Einschalten der Rückspeisung ins Netz erst dann ausführbar ist, wenn eine genügend hohe Spannung am Kondensator detektiert wird. Der pulsbreitenmodulierte Betrieb der Schalter der Endstufe führt zu einer netzfreundlichen sinusförmigen Entnahme von Leistung aus dem Netz, wenn die Verbraucher in Summe motorisch betrieben sind, und zu einer ebenso netzfreundlichen sinusförmigen Rückspeisung ins Netz, wenn die Verbraucher in Summe generatorisch betrieben sind. Somit ist insbesondere bei in Summe motorischem Betrieb der Blindleistungsverbrauch verringert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ausgang eines Mittels zum Vergleichen mit einem Mittel zur Freigabe einer Vorladung aus der Versorgungsspannung verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass die beiden Mittel verknüpfbar sind und somit nur bei Anliegen eines Freigabesignals und bei gleichzeitigem Unterschreiten des ersten kritischen Wertes durch die Spannung am Kondensator ein Vorladen ausgeführt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen Netz und Gleichrichter ein Schalter angeordnet, der mit dem Ausgang eines Mittels zum Vergleichen mit dem ersten kritischen Wert verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Schalter dann schließbar ist, wenn der erste Wert überschritten wird. Somit ist Zuschalten des Netzes vor Erreichen einer Mindestspannung verhindert und hohe Ströme treten nicht auf.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ausgang eines Mittels zum Vergleichen mit einem Mittel zur Freigabe einer Rückspeisung ins Netz, insbesondere mit einer Freigabe der pulsbreitenmodulierten Ansteuerung der Leistungsschalter, verbunden. Von Vorteil ist dabei,

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dass die beiden Mittel verknüpfbar sind und somit nur bei Anliegen eines Freigabesignals und bei gleichzeitigem überschreiten des zweiten kritischen Wertes durch die Spannung am Kondensator eine Rückspeisung ausgeführt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Ansteuerung der Leistungsschalter eine galvanische Trennung. Von Vorteil ist dabei, dass die Steuerelektronik auf einem vom Potential der Leistungselektronik völlig verschiedenen Potential betreibbar ist.

Wichtige Merkmale bei dem Verfahren sind, dass es zum Betreiben eines Systems vorgesehen ist,

umfassend einen Kondensator und ein Schaltungsteil, insbesondere ein rückspeisefähiger AC/DC-Wandler,

wobei die Spannung am Kondensator erfasst wird, der erfasste Wert mit einem ersten kritischen Wert verglichen wird, - solange der erfasste Spannungswert unterhalb des ersten kritischen Wertes liegt eine

Vorladung aus einer Versorgungsspannung, insbesondere aus einer Versorgungsspannung für Steuerelektronik, freigebbar ist, nach überschreiten des ersten kritischen Wertes das Wechselstromnetz zugeschaltet wird, so dass der Kondensator über das Schaltungsteil aus dem Netz aufladbar ist.

Von Vorteil ist dabei, dass ein Schutz vor hohen Strömen ohne zwischen Netz, Gleichrichter und/oder Kondensator zwischengeordnete Mittel erreichbar ist. Somit treten auch keine entsprechenden zusätzlichen Verluste auf und die im Kondensator gespeicherte oder von generatorisch betriebenen Antrieben in den Zwischenkreis gespeiste Energie wird schnell und dynamisch rückspeisbar. Insbesondere sind aber die Leistungskomponenten, wie Ladewiderstand und zugehöriger überbrückender Schütz, weglassbar und somit ist die Standzeit des Umrichters vergrößert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung speist nach überschreiten eines zweiten kritischen Wertes das Schaltungsteil Energie ins Netz zurück, insbesondere wobei Leistungsschalter des Schaltungsteils derart pulsbreitenmoduliert angesteuert werden, dass Energie ins Netz

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rückgespeist wird. Sobald also eine erkennbare Regelabweichung vom Sollwert, also Arbeitswert, wie beispielsweise 750 Volt, am Zwischenkreiskondensator auftritt, wird Energie ins Netz rückgespeist.

Wenn nur diese Rückspeisung relevant wäre, wäre dabei von Vorteil, dass erst bei

überschreiten ein Pulsbreitenmodulierter Betrieb der Schalter gestartet werden könnte und somit unterhalb des zweiten kritischen Wertes keine besonderen Verluste durch die Schalter verursacht würden.

Jedoch spart auch eine Verminderung der Blindleistung Kosten, weshalb auch unterhalb des kritischen Wertes ein pulbreitenmodulierter Betrieb der Endstufe und somit eine blindleistungsarme sinusförmige Entnahme von Leistung aus dem Netz vorteilhaft ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Bremswiderstand aus dem Zwischenkreis gespeist, wenn ein überschreiten eines dritten kritischen Wertes, der größer ist als der zweite kritische Wert, auftritt. Somit ist die Sicherheit erhöht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden aus dem Kondensator versorgte Verbraucher und/oder parallel zum Kondensator beschaltete Verbraucher erst nach überschreiten des ersten kritischen Wertes frei gegeben und/oder eingeschaltet. Von Vorteil ist dabei, dass die Versorgungsspannungsquelle nur einen geringen Strom liefern muss, also mit nur einem geringen Strom belastet wird. Somit ist ein langsames Vorladen des Kondensators unschädlich. Erst wenn die Rückspeisung freigegeben ist, werden die Verbraucher zum Betrieb und/oder Leistungsverbrauch freigegeben

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Schaltungsteil eine Wechselrichterendstufe und/oder weist zumindest einen ein- oder mehrphasig versorgbaren Gleichrichter auf, wobei jeder Diode des Gleichrichters zumindest ein Leistungsschalter parallel beschaltet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine der Stromhalbwellen steuerbar ist, die andere jedoch von ungesteuerten Dioden bestimmt ist.

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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Vorladung freigegeben, wenn sie freigebbar ist und ein entsprechendes Steuersignal an einem Eingang des Systems, insbesondere Geräts, angelegt wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Vorladung nur bei Anliegen eines Freigabesignals ausgeführt wird und somit eine hohe Sicherheit bewirkt ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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Bezugszeichenliste

I Mittel zur Erfassung der Spannung des Zwischenkreises U_z 5 2 Steuerelektronik

3 Schalter für Ansteuerung des Netzschützes

4 DC-DC Wandler

5 Freigabe Vorladung

6 Zwischenkreiskondensator 10 7 Endstufe

8 Netzschütz

9 Ansteuerung, galvanisch getrennt

10 Netzspannungserfassung

I 1 Netzfilter

15 12 Netzstellerdrossel L1 , L2, L3 Netzphasen

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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der Figur 1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei ist eine Endstufe 7 zwischen die Netzphasen L1 , L2, L3 und den Gleichspannungszwischenkreis angeordnet.

Am Zwischenkreis ist auch ein Mittel 1 zur Erfassung der Spannung des Zwischenkreises U_z angeordnet, das mit der Steuerelektronik 2 verbunden ist. Diese steuert den Schalter 3 für Ansteuerung des Netzschützes 8 an, sobald ein erster kritischer Spannungswert an Zwischenkreisspannung überschritten ist und somit der Zwischenkreiskondensator 6 eine genügende Vorladung aufweist. .

Solange die Spannung noch unter dem kritischen Wert liegt, bleibt der Netzschütz 8 offen und die Vorrichtung ist geschützt vor zu hohen Strömen.

Wenn eine Freigabe für die Vorladung 4 erfolgt ist, wird aus der Versorgungsspannung für die Steuerelektronik 2 der Zwischenkreiskondensator aufgeladen, indem ein DC-DC-Wandler 4, also hier ein Hochsetzsteller, eingesetzt wird.

Während dieser Zeit der Vorladung werden die weiteren aus dem Zwischenkreis versorgten Verbraucher, wie beispielsweise umrichtergespeiste Elektromotoren, ausgeschaltet. Somit wird dem Zwischenkreis keine Leistung entnommen und die Vorladung aus der 24 Volt- Versorgungsspannung für die Steuerelektronik benötigt nur geringe Ströme.

Sobald die Vorladung bis zum kritischen Wert ausgeführt ist und somit der kritische Wert überschritten ist, wird der Netzschütz 8 zugeschaltet und der Zwischenkreiskondensator über die Freilaufdioden der Endstufe auf Netzspannungsniveau beladen. Als nächstes muss die Endstufenfreigabe erfolge, welche die Taktung der Endstufe startet und den Zwischenkreis auf den angestrebten Sollwert, beispielsweise ein Arbeitswert von 750 Volt, hochsetzt. Sodann ist auch eine Freigabe der Verbraucher ausführbar.

Der kritische Wert liegt beispielhaft im Bereich von 200 Volt bis 400 Volt, vorzugsweise 300 Volt. Die Beladung mittels der Freilaufdioden der Endstufe führt beispielsweise zu einer Zwischenkreisspannung von 500 Volt bis 700 Volt, vorzugsweise 560 Volt. Die

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Leistungsschalter der Endstufe arbeiten mit der Netzstellerdrossel 12 zusammen als Hochsetzsteller und ermöglichen somit einen geregelten Betrieb, bei dem die Zwischenkreisspannung auf 750 Volt, also auf einen Wert, der mit bloßer Gleichrichtung der Netzspannung nicht erreichbar ist, hin geregelt wird.

Die Endstufe umfasst drei Halbbrücken, welche jeweils aus einer Reihenschaltung von zwei elektronischen Leistungsschalter, insbesondere IGBT oder MOSFET-Schaltern, bestehen. Jedem Schalter ist eine Freilaufdiode zugeordnet.

Solange die Schalter geöffnet sind, wirken also die Freilaufdioden insgesamt wie ein dreiphasiger Gleichrichter und beladen somit den Zwischenkreis aus den drei Netzphasen mit einer unipolaren Spannung.

Wenn nun die Verbraucher Energie in den Zwischenkreis einspeisen, beispielsweise weil Antriebe in zumindest einer ersten Zeitspanne während des Betriebs generatorisch betrieben werden, wird die Spannung weiterhin auf den Arbeitswert, beispielsweise von 750 Volt, hin geregelt, indem die Endstufe 7 über die galvanisch getrennt ausgeführte Ansteuerung 9 pulsbreitenmoduliert angesteuert wird und somit ein dreiphasiges sinusförmiges Drehfeld erzeugt und rückgespeist wird aus der Zwischenkreisspannung.

Wenn die generatorische Leistung der Verbraucher die ins Netz rückspeisbare Leistung übersteigt, wird Energie an einen Bremswiderstand von einem hysteresegesteuerten Leistungsschalter freigegeben.

Ab Erreichen eines zweiten kritischen Wertes, beispielsweise der Arbeitswert, also ebenfalls 750 Volt, werden die Verbraucher zur Leistungsentnahme aus dem Zwischenkreis frei gegeben.

Der zweite kritische Wert liegt höher als die bei unbelastetem Zwischenkreis über die Beladung mittels der Freilaufdioden erreichbare Zwischenkreisspannung.

Als Verbraucher sind vorzugsweise Umrichter vorgesehen, die aus der Zwischenkreisspannung versorgbar sind, wobei sie nur eine Endstufe entsprechend der

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Endstufe 7 aufweisen und daraus einen Drehstrommotor versorgen, vorzugsweise einen Synchronmotor.

Die elektrischen Verbindungen für die Zwischenkreis-versorgten Antriebe und die Rückspeisung nach Figur 1 wird mit Stromschienen ausgeführt.

Der Zwischenkreiskondensator weist eine Kapazität von mehr als 500 μF auf, vorzugsweise 1 mF oder mehr.

Vorzugsweise sind die Verbraucher und die erfindungsgemäße Vorrichtung als Module ausgeführt, die eine zu der Stromverschienung passende jeweilige Schnittstelle aufweisen.