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Title:
DRIVE AND METHOD FOR CONTROLLING THE FLOW OF ENERGY IN A DRIVE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2006/058574
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for controlling the flow of energy in a drive, and to a drive comprising at least one motor, at least one energy accumulator and at least two consumers and/or accumulators connected to this energy accumulator. The motor can be operated in at least a generator operating mode or motor operating mode. When the motor is operated in the generator operating mode, energy flows from the motor to the energy accumulator, and when the motor is operated in the motor operating mode, energy flows from the energy accumulator to the motor. The flow of energy from the energy accumulator can be supplied in an independently controlled manner, in essence, to at least two consumers and/or accumulators.

Inventors:
PRAUTZSCH HARALD (DE)
Application Number:
PCT/EP2005/010350
Publication Date:
June 08, 2006
Filing Date:
September 24, 2005
Export Citation:
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Assignee:
SEW EURODRIVE GMBH & CO (DE)
PRAUTZSCH HARALD (DE)
International Classes:
H02P3/04; H02P3/22
Foreign References:
DE3735621A11989-05-03
DE19734405A11999-02-25
US5070290A1991-12-03
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Claims:
Patentansprüche:
1. Antrieb, umfassend zumindest einen Motor, zumindest einen Energiespeicher und mindestens zwei mit diesem Energiespeicher verbundenen Verbrauchern und/oder Speichern, wobei der Motor in zumindest generatorischer oder motorischer Betriebsart betreibbar ist, wobei bei in generatorischer Betriebsart betriebenem Motor Energiefluss vom Motor zum Energiespeicher vorgesehen ist, wobei bei in motorischer Betriebsart betriebenem Motor Energiefluss vom Energiespeicher zum Motor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Energiefluss aus dem Energiespeicher im Wesentlichen mindestens zwei Verbrauchern und/oder Speichern jeweils unabhängig gesteuert zuführbar ist, insbesondere nach Überschreitung einer kritische Energiemenge im Energiespeicher.
2. Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenkreiskondensator als Energiespeicher vorgesehen ist, ein erster Verbraucher ein Bremswiderstand ist, ein zweiter Verbraucher eine Bremsspule ist.
3. Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bremswiderstand und Bremsspule über jeweilige Schalter S1 , S2 aus dem Zwischenkreiskondensator versorgbar sind.
4. Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Bremsspule zugeordnete Schalter pulsweitenmoduliert betreibbar ist.
5. Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuersignale für die Schalter von Ansteuerschaltungen ST1 , ST2 erzeugbar sind, wobei technische Parameter des jeweiligen Verbrauchers und Messwerte des Stromes durch den jeweiligen Verbraucher berücksichtigbar sind und/oder ein bestimmter Modellwert für Temperatur des Verbrauchers bildbar und/oder berücksichtigbar ist.
6. Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb als Umrichtermotor ausgeführt ist, wobei der Bremswiderstand innerhalb des Umrichtermotors vorgesehen ist und seine Wärme über das Motorgehäuse an die Umgebung abführbar ist.
7. Antrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb als Umrichtermotor ausgeführt ist, wobei der Bremswiderstand außerhalb des Umrichtermotors vorgesehen ist.
8. Antrieb nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als Asynchronmotor oder als Synchronmotor ausgeführt ist.
9. Verfahren zum Steuern des Energieflusses bei einem Antrieb, umfassend zumindest einen Motor, zumindest einen Energiespeicher und mindestens zwei mit diesem Energiespeicher verbundenen Verbrauchern und/oder Energiespeichern, wobei der Motor in zumindest generatorischer oder motorischer Betriebsart betreibbar ist, wobei bei in generatorischer Betriebsart betriebenem Motor Energiefluss vom Motor zum Energiespeicher vorgesehen ist, wobei bei in motorischer Betriebsart betriebenem Motor Energiefluss vom Energiespeicher zum Motor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiefluss aus dem Energiespeicher zu im Wesentlichen mindestens zwei Verbrauchern und/oder Speichern jeweils unabhängig derart gesteuert wird, dass solange die Energiemenge im Energiespeicher unterhalb der kritischen Energiemenge ist, nur höchstens einem ersten der beiden Verbraucher und/oder Speicher Energiefluss zugeleitet wird, nach Überschreitung einer kritische Energiemenge im Energiespeicher beiden Verbrauchern und/oder Speichern Energiefluss zugeleitet wird, wobei der zum ersten Verbraucher zugeleitete Energiefluss größer ist als vor Überschreitung der kritischen Energiemenge, für zumindest solange wie die Temperatur des ersten Verbrauchers und/oder der Modellwert für die Temperatur des ersten Verbrauchers unter einem kritischen Wert bleibt.
Description:
Antrieb und Verfahren zum Steuern des Energieflusses bei einem Antrieb

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Antrieb und Verfahren zum Steuern des Energieflusses bei einem Antrieb.

Aus der DE 197 04 226 ist ein Umrichtermotor bekannt, bei dem ein Umrichter auf den Anschlusskasten des Motors aufgesetzt ist.

Aus der DE 197 34 405 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Energie des Zwischenkreises an die Bremsspule eines Motors abgeführt wird, wodurch ein Bremswiderstand einsparbar ist.

Durch Kombination der beiden Schriften ist ein besonders kompakter Antrieb herstellbar, der keinen Bremswiderstand benötigt, also wenig Bauraum benötigt, und trotzdem im generatorischen Betrieb, also auch beispielsweise bei Hubwerken, einsetzbar ist. Die Energie ist im generatorischen Fall nämlich an die Bremsspule abführbar. Allerdings kann dies nur in begrenztem Umfang geschehen, weil die Bremsspule nur bis zu einer kritischen Temperatur betreibbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für hohe Leistung kompakt weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Antrieb sind, dass der Antrieb zumindest einen Motor, zumindest einen Energiespeicher und mindestens zwei mit diesem Energiespeicher verbundenen Verbrauchern und/oder Speichern umfasst,

wobei der Motor in zumindest generatorischer oder motorischer Betriebsart betreibbar ist,

wobei bei in generatorischer Betriebsart betriebenem Motor Energiefluss vom Motor zum Energiespeicher vorgesehen ist,

wobei bei in motorischer Betriebsart betriebenem Motor Energiefluss vom Energiespeicher zum Motor vorgesehen ist,

wobei Energiefluss aus dem Energiespeicher im Wesentlichen mindestens zwei Verbrauchern und/oder Speichern jeweils unabhängig gesteuert zuführbar ist, insbesondere nach Überschreitung einer kritische Energiemenge im Energiespeicher.

Von Vorteil ist dabei, dass nicht nur ein Verbraucher sondern sogar zwei Verbraucher vorsehbar sind. Somit ist mehr Energiefluss vom Energiespeicher abführbar. Außerdem ist durch die Möglichkeit der separaten Ansteuerung eine bessere Steuerung und Verteilung des Energieflusses ermöglicht. Wenn also im generatorischen Betrieb der Energiespeicher in die Nähe seiner Kapazitätsgrenze gelangt oder eine seiner Größen unzulässig hohe Werte erreicht, ist der Energiespeicher schützbar durch die Abfuhr an sogar zwei Verbraucher. Dieses Abführen ist kontrolliert ausführbar und separat. Also ist es nun auch ermöglicht, die technischen Parameter der beiden Verbraucher zu berücksichtigen sowie Werte von Messgrößen und/oder Modellgrößen, wie Strom, Temperatur oder auch Spannung.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Zwischenkreiskondensator als Energiespeicher vorgesehen, ein erster Verbraucher ist ein Bremswiderstand und ein zweiter Verbraucher ist eine Bremsspule. Von Vorteil ist dabei, dass die Bremsspule stets aus dem Zwischenkreis eines Umrichters versorgbar ist und somit stets Energiefluss zugeleitet bekommt. Im Fall der Überschreitung der kritischen Werte im Energiespeicher ist dann der an die Bremsspule zugeführte Energiefluss, also auch Strom, erhöhbar. Dies kann so lange erfolgen, bis die Bremsspule zu heiß wird, also einen kritischen maximal zulässigen Wert an Temperatur erreicht. Gleichzeitig ist weiterer Energiefluss an den Bremswiderstand abführbar. Auf diese Weise ist es bei der Erfindung ermöglicht, dass ein sowieso vorhandenes und ständig zu bestromendes Bauteil, wie die Bremsspule, auch zur Abfuhr von mehr Energie aus dem Zwischenkreis verwendbar ist. Denn solange der Motor unverhindert drehen soll und die elektromagnetisch betätigbare Bremse daher gelüftet ist, muss die Bremsspule bestromt werden. Da die Versorgung der Bremsspule aus dem Zwischenkreis, also beispielsweise aus dem Zwischenkreiskondensator eines spannungsgeführten Umrichters, ausgeführt wird, ist ein Regler vorhanden, der pulsweitenmoduliert betrieben wird und die Spannung für die

Bremsspule derart stellt, dass der gewünschte Sollstrom zum Lüften der Bremse erreicht wird. Wenn die Spannung am Zwischenkreiskondensator einen kritischen Wert überschreitet, also das zulässige Fassungsvermögen des Zwischenkreiskondensators nahe liegt, wird die Pulsweite derart verändert, dass an der Bremsspule eine größere Spannung anliegt und der Strom entsprechend größer wird. Es kann sogar kurzzeitig die volle Zwischenkreisspannung an die Bremsspule angelegt werden. Dies kann selbstverständlich nur so lange erfolgen, bis die Temperatur der Bremsspule keinen kritischen Wert überschreitet, wobei dann die Bremsspule zerstört würde. Bei vielen Anwendungsfällen ist aber die Zwischenkreisspannung derart schnell abgebaut und der generatorische Betrieb beendet, dass die Bremsspule die kritische Temperatur nicht erreicht. Bei der Erfindung wird dies besonders klar, weil ja der zweite Verbraucher zusätzlich ab Überschreiten der kritischen Energie im Energiespeicher ebenfalls Energiefluss zugeführt bekommt und somit den Energiespeicher schützt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Bremswiderstand und Bremsspule über jeweilige Schalter S1 , S2 aus dem Zwischenkreiskondensator versorgbar. Von Vorteil ist dabei, dass Halbleiterschalter, wie IGBT oder dergleichen, verwendbar sind und somit auch schnell getaktete Verfahren oder auch Pulsweitenmodulationsverfahren anwendbar sind. Auf diese Weise lässt sich dann sogar der dem Verbraucher zugeführte Strom regeln.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der der Bremsspule zugeordnete Schalter pulsweitenmoduliert betreibbar. Von Vorteil ist dabei, dass insbesondere der Strom für die Bremsspule genau regelbar ist und somit ein guter Temperaturmodellwert für die Bremsspule bestimmbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ansteuersignale für die Schalter von Ansteuerschaltungen ST1 , ST2 erzeugbar, wobei

- technische Parameter des jeweiligen Verbrauchers

- und Messwerte des Stromes durch den jeweiligen Verbraucher berücksichtigbar sind - und/oder ein bestimmter Modellwert für Temperatur des Verbrauchers bildbar und/oder berücksichtigbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine optimierte Steuerung des Energieflusses ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Antrieb als Umrichtermotor ausgeführt, wobei der Bremswiderstand innerhalb des Umrichtermotors vorgesehen ist und seine Wärme über

das Motorgehäuse an die Umgebung abführbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass kein weiteres Gehäuse für den Bremswiderstand notwendig ist und die Betriebszeit bei generatorischer Betriebsart verlängert ist und/oder die Wärmeleistung des Antriebs im generatorischen Betrieb vergrößerbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Antrieb als Umrichtermotor ausgeführt, wobei der Bremswiderstand außerhalb des Umrichtermotors vorgesehen ist. Von Vorteil ist dabei, dass erhebliche Wärmemengen zusätzlich über den Bremswiderstand abführbar sind.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass das Verfahren zum Steuern des Energieflusses bei einem Antrieb vorgesehen ist, umfassend zumindest einen Motor, zumindest einen Energiespeicher und mindestens zwei mit diesem Energiespeicher verbundenen Verbrauchern und/oder Energiespeichern,

wobei der Motor in zumindest generatorischer oder motorischer Betriebsart betreibbar ist,

wobei bei in generatorischer Betriebsart betriebenem Motor Energiefluss vom Motor zum Energiespeicher vorgesehen ist,

wobei bei in motorischer Betriebsart betriebenem Motor Energiefluss vom Energiespeicher zum Motor vorgesehen ist,

wobei der Energiefluss aus dem Energiespeicher zu im Wesentlichen mindestens zwei Verbrauchern und/oder Speichern jeweils unabhängig derart gesteuert wird, dass

- solange die Energiemenge im Energiespeicher unterhalb der kritischen

Energiemenge ist, nur höchstens einem ersten der beiden Verbraucher und/oder Speicher Energiefluss zugeleitet wird,

nach Überschreitung einer kritische Energiemenge im Energiespeicher beiden Verbrauchern und/oder Speichern Energiefluss zugeleitet wird, wobei der zum ersten Verbraucher zugeleitete Energiefluss größer ist als vor Überschreitung der kritischen Energiemenge, für zumindest solange wie die Temperatur des ersten Verbrauchers und/oder der Modellwert für

die Temperatur des ersten Verbrauchers unter einem kritischen Wert bleibt. Die zugehörigen Vorteile wurden obenstehend schon genannt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der hier vorliegenden Erfindung ist der Verbraucher auch alternativ derart zu verstehen, dass ihm ein Energiespeicher zugeschaltet ist oder er als Energiespeicher ausgeführt ist. Beispielsweise kann dem Bremswiderstand noch ein Kondensator parallel geschaltet werden, der ebenfalls Energie des Zwischenkreises aufnimmt - zumindest bis zu seiner Kapazitätsgrenze. Auch der Bremsspule könnte ein Energiespeicher parallel zugeschaltet sein, der erst ab einer gewissen Strommenge oder Temperatur befüllt wird. Diese zugeschalteten Energiespeicher werden dann wieder über die Bremsspule beziehungsweise den Bremswiderstand entleert, während derjenigen Betriebszeit, in welcher die Energie im Energiespeicher des Zwischenkreises unterhalb des kritischen Wertes liegt.

Bezugszeichenliste

3~ Drehstromnetz

U_z Zwischeπkreisspannung

C1 Zwischenkreiskondensator

M Motor, versorgt aus drei Leistungshalbleiter-Halbbrücken

V1 Verbraucher 1 V2 Verbraucher 2

I(V1) Strom durch Verbraucher 1

I(V2) Strom durch Verbraucher 2

Temp(V1) Modellwert für Temperatur des V1

Temp(V2) Modellwert für Temperatur des V2 Modell(V1 ) technische Parameter von V1

Modell(V2) technische Parameter von V2

51 Schalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter (Brems-Chopper)

52 Schalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter (Brems-Chopper) ST1 Ansteuerungsschaltung für S1 ST2 Ansteuerungsschaltung für S2

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

Wie in Figur 2 dargestellt ist, betrifft die Erfindung einen Antrieb, umfassend zumindest einen Motor und einen Energiespeicher, wie beispielsweise einen Zwischenkreiskondensator eines den Motor versorgenden Umrichters. Wesentlich ist nun bei der Erfindung, dass Energiefluss aus dem Energiespeicher mindestens zwei Verbrauchern und/oder Speichern jeweils unabhängig gesteuert zuführbar ist. Dabei ist der Motor in generatorischer Betriebsweise derart betrieben, dass Energiefluss vom Motor zum Energiespeicher fließt. Der Energiespeicher hat ein maximales Fassungsvermögen. Energie ist aus dem Energiespeicher an die mindestens zwei Verbraucher und/oder Speicher gesteuert abführbar, insbesondere ab dem Zeitpunkt, wenn die Energie des Energiespeichers eine kritische Energiemenge überschreitet. Auf diese Weise ist dann die Energiemenge im Energiespeicher verringerbar bis auf ein gewünschtes Maß. Sobald der Motor wieder in motorischer Betriebsart betrieben wird, fließt ein entsprechender Energiefluss vom Energiespeicher an den Motor.

Dabei ist zu beachten, dass der Energiespeicher auch einen Energiefluss von einem versorgenden elektrischen Netz haben kann, insbesondere abhängig von der vorhandenen Energiemenge im Energiespeicher. Beispielsweise fließt bei motorischem Betrieb ein derart großer Energiefluss vom versorgenden Netz zum Energiespeicher, dass er im Wesentlichen dem an den Motor abfließenden Energiefluss gleicht.

Unwesentliche Verbraucher, wie Versorgung von elektronischen Steuerungen, Netzteilen und Herstellung von Versorgungsspannungen bleiben bei der vorliegenden Beschreibung unerwähnt.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist einer der Verbraucher und/oder Speicher derart betrieben, dass er bei allen Betriebsarten des Motors, also auch generatorische und motorische Betriebsart, dauerhaft zumindest eine Mindestmenge an Energiefluss an ihn abführbar ist. Nach Überschreiten einer kritischen Energiemenge im Energiespeicher wird dann diesem Verbraucher und/oder Speicher 1 mehr Energiefluss zugeführt. Zusätzlich wird dem zweiten Verbraucher und/oder Speicher 2 Energiefluss zugeführt.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist in Figur 1 dargestellt, wobei einem aus dem Drehstromnetz 3~ versorgten Zwischenkreisumrichter die Schalter S1 und S2 zugeordnet sind. Diese sind als Leistungshalbleiterschalter ausgeführt, wie beispielsweise IGBT, und sind auch als Brems-Chopper bezeichenbar.

Der vom Umrichter umfasste Energiespeicher ist als Zwischenkreis-Kondensator C1 vorgesehen. Der Zwischenkreis-Kondensator C1 wird über den dreiphasigen Gleichrichter aus dem Drehstromnetz 3~ gespeist.

Aus dem Zwischenkreis wird der Elektromotor über die drei Halbbrücken von Leistungshalbleitem umfassende Endstufe des Umrichters versorgt.

Eine elektronische Steuer- und Regelschaltung erzeugt die Ansteuersignale für die Leistungshalbleiter der Endstufe. Diese Schaltung umfasst auch weitere Ansteuerschaltungen ST1 und ST2, welche die Ansteuersignale für die Schalter S1 und S2 jeweils erzeugen. Auf diese Weise ist der Energiefluss aus dem Zwischenkreis zu den Verbrauchern V1 und V2 steuerbar.

Die Auslösung der jeweiligen Brems-Chopper kann sowohl gleichzeitig, als auch getrennt von den Ansteuerungsschaltungen ST1 und ST2 jeweils erfolgen. Dazu erzeugen die Steuerschaltungen ST1 Und ST2 entsprechende Ansteuer-Signalspannungen, die den Schaltern S1 und S2 jeweils an ihre Steuereingänge zugeführt werden. Der Strom I(V1) des Verbrauchers V1 und der Strom I(V2) des Verbrauchers V2 wird erfasst und die Messwerte den Ansteuerungsschaltungen ST1 und ST2 zugeführt und von diesen bei der Steuerung und/oder Regelung berücksichtigt.

Die Ansteuerung der Schalter S1 und S2 ist von den Parametern Zwischenkreisspannung Uz, Temperatur und Art der Verbraucher, sowie dem jeweiligen Strom I in den Verbrauchern V1 und V2 abhängig. Zur Bestimmung eines Modellwertes für die Temperatur Temp(V1) des Verbrauchers V1 und eines Modellwertes für die Temperatur Temp(V2) des Verbrauchers V2 werden die jeweiligen technischen Parameter von V1 und technischen Parameter von V2 berücksichtigt, was in Figur 1 durch Modell(V1) beziehungsweise Modell(V2) gekennzeichnet ist.

Damit ist es nun ermöglicht, einen ständigen Verbraucher, wie beispielsweise die Bremsspule einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse, parallel mit einem weiteren Verbraucher zu betreiben, also beispielsweise einen für den generatorischen Umrichterbetrieb geeigneten Bremswiderstand.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist der Verbraucher als Energiespeicher ausgeführt oder mit einem zusätzlichen Energiespeicher verbunden.

Bei dem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der ständige Verbraucher, also beispielsweise die Bremsspule, auch bei motorischem Umrichterbetrieb angesteuert, um seine Funktion zu erhalten. Die Ansteuerweise ist vorzugsweise ein pulsweitenmodulierter Betrieb. Die zugehörige Pulsweitenmodulationsfrequenz beträgt beispielsweise 4, 8, 12 oder 16 kHz. Bei generatorischem Umrichterbetrieb wird die effektive Betriebsspannung am Verbraucher durch die von der Ansteuerschaltung vorgebbare und veränderbare Pulsweite erhöht, um die abzuführende Leistung zu erhöhen.

Dies erfolgt jedoch nur innerhalb der möglichen physikalischen Grenzen, die insbesondere durch die maximal zulässige Betriebstemperatur des Verbrauchers gegeben sind. Die Bremsspule wird also nach Erreichen der für sie maximal zulässigen Temperatur nicht mehr zum zusätzlichen Abführen von Energie aus dem Zwischenkreis verwendet sondern es wird nur noch die notwendige Bestromung zur Aufrechterhaltung ihrer Funktion ausgeführt, nämlich für das Lüften der Bremse.

Der Verbraucher, dem nur im generatorischen Betrieb Energiefluss zugeführt wird, wird zur Entlastung des anderen, ständig bestromten Verbrauchers eingesetzt. Die durch die gesteuerte Pulsweite definierte, effektive Betriebsspannung dieses Verbrauchers ist derart geeignet zu stellen, dass sich eine Energieflussverteilung ergibt, die einen sicheren und dauerhaften Betrieb für alle Komponenten gewährleistet.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel umfasst die elektronische Schaltung des Umrichters die Ansteuerungsschaltungen ST1 und ST2 für die Brems- Chopper. Somit ist die gesamte Steuerelektronik sogar im Gehäuse des Umrichters, insbesondere sogar auf einer Leiterplatte, ausführbar, wodurch weitere Gehäuse und Verbindungsteile einsparbar sind.