Beschreibung :

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung für den mehrphasigen Betrieb eines Elektromotors .

Asynchronmaschinen werden in der Regel an Frequenzumrichtern betrieben. Die Schaltung eines solchen Frequenzumrichters weist einen Gleichrichter auf, der einen

Gleichspannungszwischenkreis speist. Ein Kondensator in diesem Gleichspannungszwischenkreis dient der Glättung und eine häufig vorgesehene Induktivität der Entstörung. Der Zwischenkreis speist weiter einen Wechselrichter, aufweisend gesteuerte Brücken, für die häufig Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistoren, MOSFET, zunehmen Insulated Gate

Bipolartransistoren, IGBT, oder Schaltthyristoren, Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT, Verwendung finden.

In vorteilhafter Weise kann die Höhe der Ausgangsspannung und die Frequenz in weiten Grenzen geregelt werden, so dass

Elektromotoren optimal gesteuert werden können.

Unabhängig davon, ob ein Zwei- oder Vierquadrantenbetrieb des Elektromotors vorgesehen ist, wird bei einem Abbremsen der Asynchronmaschine Energie in den

Gleichspannungs-Zwischenkreis eingespeist.

Bei einfachen Antrieben ist ein sogenannter Brems-Chopper vorgesehen, mit dem die überschüssige Energie aus dem

Gleichspannungszwischenkreis von einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt wird, die dann an die Umgebung abgegeben wird. Deshalb werden Bremswiderstände regelmäßig außerhalb des Frequenzumrichters angeordnet . Abgesehen davon, dass eine solche Erwärmung der Umgebung wenig effektiv ist, bedingt das Vorhersehen von

Bremswiderständen auch durchaus aufwändige bauliche

Maßnahmen, da zum einen die Bremswiderstände sehr groß sein können, naturgemäß abhängig von deren Leistung, und zum anderen eine ausreichende Kühlung der Bremswiderstände sichergestellt werden muss. So war es früher häufig üblich, Bremswiderstände beispielsweise auf dem Dach von elektrischen Lokomotiven anzuordnen.

Vor diesem Hintergrund sind insbesondere in der

Eisenbahntechnik frühzeitig aufwendige, rückspeisefähige Frequenzumrichter sowie Matrixumrichter entwickelt worden, die die generatorische Brems-Leistung der Antriebsmotoren zurück in das einphasige Bahnstromnetz speisen können.

Der bauliche Aufwand und die damit verbundenen Kosten, beispielsweise durch den Ersatz eines Diodengleichrichters durch einen Umrichter mit hochwertigen Leistungstransistoren und aufwändig dimensioniertem Netzfilter mögen sich bei großen Antriebsleistungen durchaus rechnen, jedoch finden derartige Lösungen bei vergleichsweise kleinen

Antriebseinheiten kaum Verwendung, da das Verheizen der generatorischen Energie in einem Bremswiderstand gegenüber einer Energie rückspeisenden Lösung deutlich kostengünstiger ist .

Die Erfindung macht es sich von daher zur Aufgabe, ein

Verfahren und eine Schaltung für einen mehrphasigen Betrieb eines Elektromotors zur Verfügung zu stellen, die mit nur geringen Investitionskosten eine Rückspeisung generatorischer Energie bei einem Abbremsen auch bei kleinen Antrieben wirtschaftlich ermöglichen. Gelöst wird diese technische Problematik durch ein Verfahren gemäß des Anspruchs 1 und durch eine Schaltung gemäß des Anspruchs 6. Bei dem Verfahren für den Betrieb eines an wenigstens drei Phasen eines Stromnetzes angeschlossenen Elektromotors in einem generatorischen Betrieb wird gemäß des Anspruchs 1 darauf abgestellt, dass eine in das Stromnetz

zurückzuspeisende Energie aus einem

Gleichspannungszwischenkreis eines Frequenzumrichters als getakter und gemittelter Stromblock von einem

Synchronwechselrichter auf die Netzphase höchster Spannung geschaltet wird.

Das Verfahren bietet eine Vielzahl von Vorteilen.

So kann zunächst die übliche Schaltung eines

Frequenzumrichters mit Diodengleichrichtung beibehalten werden und es wird in diesen Vorwärtszweig des motorischen Betriebes nicht eingegriffen. Beispielsweise an Stelle des Bremswiderstandes eines Brems-Choppers geschaltet und damit von dem Vorwärtszweig entkoppelt bedarf es bei dem

Rückwärtszweig in einem generatorischen Betrieb nur der für eine Rückspeisung erforderlichen Leistungselektronik.

Werden insbesondere die Anschlussklemmen eines

Frequenzumrichters für einen Bremswiderstand als

Schnittstelle für diese Leistungselektronik genutzt,

entstehen in dem Frequenzumrichter keinerlei zusätzliche Kosten, wodurch insbesondere auch bereits bestehende

Antriebssysteme mit nur geringem Aufwand rückspeisefähig nachgerüstet werden können. Der Schaltungsaufbau für insbesondere die Durchführung dieses Verfahrens ist vergleichsweise einfach und weist gemäß des Anspruchs 6 einen Gleichspannungswandler auf , der aus einem Gleichspannungszwischenkreis des Frequenzumrichters gespeist wird, einen Synchronwechselrichter, der dem

Gleichspannungswandler nachgeschaltet ist und ein dem

Synchronwechselrichter nachgeschaltetes Netzfilter auf. Dabei kann insbesondere bei dem Neubau von Frequenzumrichtern daran gedacht sein, dass der Gleichspannungswandler

unmittelbar an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist. Ein herkömmlicher Brems-Chopper für den Anschluss eines Bremswiderstandes kann dann entfallen.

Insbesondere auch für das Nachrüsten vorhandener

Frequenzumrichter ist ein Anschluss des

Gleichspannungswandlers an den Gleichspannungszwischenkreis nach Art eines Bremswiderstandes von Vorteil. Hierbei kann dann an Stelle des Bremswiderstandes die Schaltung nach der Erfindung bspw. an einen Brems-Chopper geschaltet sein.

Der Gleichspannungswandler weist weiter, je nach Ausführung, wenigstens einen eine Induktivität schaltenden,

elektronischen Schalter auf, wobei die Schaltfrequenz variabel oder konstant vorgebbar ist.

Während der Einschaltzeit des elektronischen Schalters des Gleichspannungswandlers fließt ein Lastström durch die

Induktivität, während eine gegebenenfalls vorzusehende

Freilaufdiode sperrt. Mit dem Laden des magnetischen

Speichers steigt der Lastström gleichmäßig an, während die Spannung an der Induktivität näherungsweise konstant ist. In der darauffolgenden Ausschaltphase liegt die Ausgangsspannung an der Induktivität an und der Ausgangsstrom nimmt

kontinuierlich ab. Dabei schwankt der Strom nur geringfügig um einen Mittelwert und wird, in einem eingeschwungenen

Zustand und bei einem nicht-lückenden Betrieb, nie Null.

Infolge dieses Verhaltens des Gleichspannungswandlers wird dem Synchronwechselrichter die zurückzuspeisende Energie als Stromblock zur Verfügung gestellt, der durch wenigstens einen elektronischen Schalter getaktet und durch das Verhalten der Induktion gemittelt ist.

Vorzugsweise wird der wenigstens eine elektronische Schalter des Gleichspannungswandlers mit einer vorgebbaren, variablen und insbesondere konstanten Schaltfrequenz betrieben.

Aufwendige Steuerschaltungen können bei letzterer

Betriebsweise entfallen. Ferner ist es möglich, dass das Pulspausenverhältnis des wenigstens einen Schalters derart eingestellt wird, dass der über eine Schaltperiode von der Induktivität gemittelte Strom einem Sollwert entspricht. Infolgedessen wird der

Synchronwechselrichter optimal angesteuert.

Den dem Synchronwechselrichter von dem Gleichspannungswandler zur Verfügung gestellten Stromblöcken sind Störungen, insbesondere mit der Schaltfrequenz des

Gleichspannungswandlers überlagert, die in an sich üblicher Weise vor Einspeisung in das Stromnetz ausgefiltert werden.

Von besonderem Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Schaltung ist neben ihrer Einfachheit die Möglichkeit, dass durch eine gesondert ausgebildete Schaltung ein üblicher Bremswiderstand ersetzt werden kann, die anstelle desselben an dessen

Anschlussklemmen angeschlossen wird, womit sehr schnell ein rückspeisefähiges Antriebssystem zur Verfügung steht . Als Gleichspannungswandler kann ein Tiefsetzsteller mit Freilaufdiode Verwendung finden. Getaktet von nur einem elektronischen Schalter ist eine solche Lösung aufgrund der wenigen Bauteile kostengünstig, weist jedoch den Nachteil auf, dass nur eine Abwärtswandlung möglich ist.

Als Alternative bieten sich Flusswandler an, betrieben in einer Halb- oder Vollbrückenschaltung, die jedoch aufgrund des notwendigen Hochfrequenztransformators eine

vergleichsweise teure und darüber hinaus eine voluminöse Lösung darstellen. Nachteilig ist auch das Steuern des

Schaltverhalten von zwei elektronischen Schaltern im

Gegentakt bzw. von vier Schaltern paarweise synchron und die Paare im Gegentakt. Von Vorteil bei der Verwendung eines Flusswandlers ist aber dessen vielseitige Einsetzbarkeit bspw. auch bei höheren zu übertragenden Leistungen.

Solches wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der lediglich schematisch Ausführungsbeispiele von Schaltungen dargestellt sind. Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1: Eine Schaltung nach der Erfindung, geschaltet als

Ersatz für einen Bremswiderstand eines Frequenzumrichters und

Fig. 2: einen Anschluss einer erfindungsgemäßen Schaltung unmittelbar an den Gleichspannungszwischenkreis eines Frequenzumrichters .

Fig. 1 zeigt eine über einen Frequenzumrichter 1 aus einem dreiphasigen Stromnetz L _lf L ₂ , L ₃ gespeiste Asynchronmaschine M. Der Frequenzumrichter 1 weist in üblicher Weise einen

Diodengleichrichter 2 mit einem Glättungskondensator C, einen Gleichspannungszwischenkreis 3 und einen aus dem

Gleichspannungszwischenkreis 3 gespeisten Wechselrichter 4 auf .

In dem Gleichspannungszwischenkreis 3 ist dem Grunde nach die Schaltung eines Brems-Choppers 5 dargestellt, dessen

Bremswiderstand an den aus der Schaltung des

Frequenzumrichters 1 herausgeführten Anschlüssen 6,7

anzuschließen wäre.

Erfindungsgemäß ist anstelle des Bremswiderstandes eine

Schaltung 8 getreten, insbesondere auch als eigenständig, von dem Frequenzumrichter gesondert ausgebildete Baugruppe, durch die eine während eines generatorisehen Betriebes der

Asynchronmaschine M erzeugte Energie in das Stromnetz L _lf L ₂ , L ₃ zurückgespeist wird. Die Schaltung 8 weist eingangsseitig einen

Gleichspannungswandler 9 auf, der einen

Synchronwechselrichter 10 speist, hier beispielhaft durch einen Tiefsetzsteller ausgebildet, alternativ durch einen Flusswandler. Der Anschluss des Gleichspannungswandlers 9 und des Synchronwechselrichters 10 an die Anschlüsse 6,7 erfolgt hier über gegenläufig geschaltete Schutzdioden D _1# D ₂ .

Der Gleichspannungswandler 9, hier in Form eines

Tiefsetzstellers mit einem elektronischen Schalter T, einer Induktivität L und einer Freilaufdiode D _F , stellt die in das Stromnetz L _1# L ₂ , L ₃ zurückzuspeisende Energie aus dem

Gleichspannungszwischenkreis 3 den Synchronwechselrichter 10 in der eingangs erläuterten Weise als getaktete und

gemittelte Stromblöcke zur Verfügung.

Der elektronische Schalter T schaltet bspw. mit konstanter Schaltfrequenz und ist das Pulspausenverhältnis bevorzugt derart eingestellt, dass der über eine Schaltperiode der von der Induktivität L gemittelte Strom einem Sollwert

entspricht .

Insbesondere die durch die Taktfrequenz des Schalters T hervorgerufenen Störungen, die die Stromblöcke überlagern, werden durch ein Netzfilter 11 ausgefiltert.

Das Netzfilter 11 weist in üblicher Weise für jede Phase eine Induktivität mit parallel geschalteter ohmscher Last und einen Kondensator auf .

Die Schaltung gem. Fig. 2 unterscheidet sich von der in

Fig. 1 wiedergegebenen im Wesentlichen durch den Anschluss des Gleichspannungswandlers 12 unmittelbar an den

Gleichspannungszwischenkreis 13. Infolgedessen ist dort auf einen Brems-Chopper verzichtet. Insbesondere bei neuen

Frequenzumrichtern kann dann die Schaltung nach der Erfindung als ein integraler Baustein eines Frequenzumrichters

ausgebildet werden.