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Dokumentenidentifikation DE10135286A1 06.02.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei einem Matrixumrichter
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bruckmann, Manfred, 90475 Nürnberg, DE;
Schierling, Hubert, Dr., 91052 Erlangen, DE;
Simon, Olaf, Dr., 91056 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 19.07.2001
DE-Aktenzeichen 10135286
Offenlegungstag 06.02.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.02.2003
IPC-Hauptklasse H02H 3/06
IPC-Nebenklasse H02H 3/253   H02H 7/12   H02J 3/42   H02M 5/22   H02P 7/36   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei einem Matrixumrichter (2) und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Erfindungsgemäß wird bei einem ermittelten Netzausfall der Matrixumrichter (2) vom speisenden Netz (12) getrennt und in einen Pufferbetrieb (P) gewechselt, in dem ein ermittelter Kondensatorspannungs-Istraumzeiger (uCmeß) auf einem vorbestimmten Raumzeiger geregelt wird, wobei bei Netzwiederkehr dieser Kondensator-Istraumzeiger (unetzmeß) synchronisiert wird und wobei bei Synchronität der Matrixumrichter (2) wieder ans speisende Netz (12) geschaltet wird. Somit kann die kinetische Pufferung auch von einem Matrixumrichter (2) ausgeführt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei einem Matrixumrichter mit mehreren netzseitigen Kommutierungskondensatoren und einer netzseitigen Schaltereinheit und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei Einzelantrieben soll nach vorübergehenden Netzausfällen die Solldrehzahl möglichst schnell wieder erreicht werden. Ohne Zusatzmaßnahmen ergeben sich lange Wiederanlaufzeiten, dadurch, dass die Signalverarbeitung wieder hoch laufen und neu initialisiert werden und der Motor neu erregt werden müssen. Bei mehreren Antrieben, die mechanisch koordinierte Bewegungen ausführen müssen, geht bei einem Netzausfall ohne Zusatzmaßnahmen die Steuerbarkeit der Antriebe verloren, wodurch die Mechanik beschädigt werden kann.

Das beschriebene Problem kann beispielsweise mittels einer unterbrechungsfreien Stromversorgungs-Anlage, die auch als USV-Anlage bezeichnet wird, behoben werden. Mittels einer solchen USV-Anlage wird unabhängig vom Zustand des speisenden Netzes ein sicheres Netz aufgebaut, an dem der Einzelantrieb oder mehrere miteinander mechanisch verknüpfte Antriebe angeschlossen werden können. Eine derartige Lösung ist für Einzelantriebe bzw. eines Mehrmotorenantriebs aufwendig und sehr kostspielig.

Auf dem Gebiet der Umrichtertechnik mit Spannungszwischenkreis ist eine Option bekannt, die stromrichtergespeiste Antriebe vor kurzzeitigen Netzausfällen schützt. Diese Option ist als sogenannte kinetische Pufferung bekannt.

Bei einem Einzelantrieb wird der Antrieb bei einem Netzausfall so weit durch Abbremsen in den generatorischen Bereich gefahren, dass die Verluste des Motors und des Umrichters aus der kinetischen Energie des Motors und der angekoppelten Arbeitsmaschine gedeckt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Reglers, der die Zwischenkreisspannung auf einen festen Wert, beispielsweise 80% des Nennwertes, regelt. Stellgröße ist der Drehmoment-Sollwert oder bei feldorientierter Regelung ein Zusatz zum Drehzahl-Sollwert oder bei Antrieben mit U/f- Kennliniensteuerung ein Zusatz zum Frequenzsollwert. Die Spannungsversorgung der Signalverarbeitung wird entweder separat aus einer sicheren Quelle oder aus dem Gleichspannungszwischenkreis erzeugt. Auf diese Weise bleiben Signalverarbeitung und Regelung aktiv, wodurch der Motor erregt bleibt, so dass dieser unmittelbar nach Wiederkehr der Netzspannung wieder auf die Solldrehzahl beschleunigt werden kann.

Bei mehreren verkoppelten Antrieben sind alle Zwischenkreise miteinander verbunden, so dass ein Energieaustausch zwischen ihnen erfolgt. Bei einem Netzausfall wird das Drehzahlniveau aller Antriebe insgesamt abgesenkt, um den Energiebedarf zu decken. Die erforderlichen Drehzahlrelationen oder Winkelbeziehungen zwischen den einzelnen Antrieben bleiben erhalten, bis die Netzspannung wiederkehrt oder die Anlage steht. Die Spannungsversorgung der Signalverarbeitung geschieht wie bei Einzelantrieben beschrieben. Die Zwischenkreisspannung wird auf einen Wert unterhalb des Nennwertes geregelt. Stellgröße ist der Hauptgeschwindigkeits-Sollwert der Anlage.

Diese Option "kinetische Pufferung" ist in der Anwendung beschränkt auf Umrichter mit einem Gleichspannungszwischenkreis bzw. einem Gleichstromzwischenkreis. Bei Matrixumrichtern lässt sich diese Option aufgrund des fehlenden Zwischenkreises nicht anwenden.

Bei einem Einzelantrieb ist ein einen Motor steuernder Matrixumrichter über ein optionales Netzfilter bzw. EMV-Filter an ein speisendes Netz angeschlossen. Dieses Netzfilter wird beispielsweise aus Leitungsdrosseln und Kommutierungskondensatoren, die an den Eingangsklemmen des Matrixumrichters angeschlossen sind, realisiert. Die Kommutierungskondensatoren, die in Dreieck oder Stern geschaltet sein können, sind für den Betrieb des Matrixumrichters unerlässlich. Auf die in den Zuleitungen eingefügten Drosseln kann unter Umständen verzichtet werden.

Bei einem Mehrachsenantrieb werden beispielsweise mehrere der oben beschriebenen Einzelantriebe an einem speisenden Netz betrieben. D. h., jeder Matrixumrichter weist eingangsseitig Kommutierungskondensatoren und Drosseln auf. Um die Anzahl der Drosseln zu reduzieren kann man die Matrixumrichter auch an den Kommutierungskondensatoren elektrisch parallel schalten. Bei dieser Schaltungsvariante werden bei einem dreiphasigen speisenden Netz nur drei Drosseln benötigt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überbrückung kurzzeitiger Netzausfälle bei einem Matrixumrichter anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 13 gelöst.

Gemäß diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einem ermittelten Netzausfall der Matrixumrichter vom speisenden Netz getrennt und dieser während eines Pufferbetriebes derart geregelt, dass sich an seinem Eingang ein Kondensatorspannungs- Istraumzeiger einstellt, dessen Amplitude und Phasenwinkel jeweils einen vorbestimmten Wert einnimmt. Bei Wiederkehr der Netzspannung wird dieser eingestellte Kondensatorspannungs- Istraumzeiger während eines Synchronisierbetriebes einem ermittelten Netzspannungs-Istraumzeiger solange nachgeführt bis diese zusammenfallen, wobei dann der Matrixumrichter wieder an das speisende Netz geschaltet wird.

Eine Voraussetzung für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine bedienbare Trennstelle zwischen dem speisenden Netz und dem Matrixumrichter. Diese Trennstelle muss bei einem ermittelten Netzausfall geöffnet und bei Netzwiederkehr und erfolgter Synchronisation wieder geschlossen werden.

Außerdem macht das erfindungsgemäße Verfahren von der Tatsache Gebrauch, dass bei einem Matrixumrichter der Leistungsfaktor bzw. der Blindstrom auf der Netzseite in gewissen Grenzen frei einstellbar ist. Diese Regelung des eingangsseitigen Blindstromes oder des Leistungsfaktors des Matrixumrichters ist eine Stellgröße für die Regelung des Kondensatorspannungs-Raumzeigers während des Pufferbetriebes und während des Synchronisationbetriebes des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine zweite Stellgröße für die Regelung des Kondensatorspannungs-Raumzeigers ist ein Eingriff, mit dem die Drehzahl des am Matrixumrichter angeschlossenen Motors beeinflusst werden kann. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spannung an den Kommutierungskondensatoren so geregelt, dass während des Netzausfalls die Summe der Energieinhalte der Kommutierungskondensatoren auf einen konstanten Wert gehalten wird und dass nach Netzwiederkehr die Kondensatorspannung auf die Netzspannung des speisenden Netzes gedreht wird.

Mittels dieses erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überbrückung kurzzeitiger Netzausfälle gibt es nun auch die Option "kinetische Pufferung" bei einem Matrixumrichter, wodurch ein entscheidender Nachteil dieser Umrichtertopologie behoben ist.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist Einrichtungen zum Erfassen eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Raumzeigers, einen Spannungs- und Phasenwinkelregelkreis, eine Netzüberwachungseinrichtung, mehrere Umschalter und eine Ablaufsteuereinrichtung auf. Diese Ablaufsteuereinrichtung betätigt die Umschalter, wodurch zwischen den Betriebsarten Normal-, Puffer- und Synchronisierbetrieb gewechselt werden kann. Die genannten Einrichtungen werden zur Zustandserfassung des Netzes und des Matrixumrichters benötigt, wobei die Einrichtung zur Erfassung des Netzspannungs-Istraumzeigers lediglich als Initialeinrichtung für die kinetische Pufferung vorgesehen ist.

Bei einem vorteilhaften Verfahren wird jeweils eine Blindstromstellgröße für den Puffer- und -Synchronisierbetrieb fest vorgegeben. Die Einrichtung zur Erfassung des Netzstrom- Raumzeigers und des nachgeschalteten Blindstromregelkreises sind auch bei einem Matrixumrichter ohne kinetische Pufferung, jedoch mit der Möglichkeit der Leistungsfaktorregelung, vorhanden. Somit vereinfacht sich der Aufwand für das erfindungsgemäße Verfahren.

Bei einer zugehörigen vorteilhaften Vorrichtung werden anstelle eines Phasenwinkelregelkreises Vorsteuerwerte verwendet, die mittels eines Umschalters in Abhängigkeit der Betriebsart als Stellgröße der Steuer-Regeleinrichtung des Matrixumrichters zugeführt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch veranschaulicht sind.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Einzelantriebs, in

Fig. 2 ist ein Signalflussplan einer Regelung für einen Einzelantrieb nach Fig. 1 dargestellt, die

Fig. 3 zeigt einen Signalflussplan einer vorteilhaften Regelung für einen Einzelantrieb nach Fig. 1, in der

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Mehrachsenantriebs dargestellt, wobei die

Fig. 5 den Signalflussplan einer zugehörigen Regelung eines Mehrachsenantriebs darstellt, und die

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Variante eines Mehrachsenantriebs, wobei die

Fig. 7 dessen zugehörige Regelung als Signalflussplan darstellt.

Im Blockschaltbild gemäß Fig. 1 sind mit 2 ein Matrixumrichter und mit 4 eine zugehörige Steuer- und Regeleinrichtung, mit 6 eine Kommutierungskondensatorschaltung, mit 8 eine Drosselschaltung, mit 10 eine Schaltereinheit, mit 12 ein speisendes Netz, mit 14 eine Spannungsversorgungseinrichtung und mit 16 ein anzutreibender Motor bezeichnet. Der Matrixumrichter 2 ist ausgangsseitig mit Anschlüssen des Motors 16 und eingangsseitig mit der Kommutierungskondensatorschaltung 6 verknüpft. Diese Kommutierungskondensatorschaltung 6 weist drei Kommutierungskondensatoren C1, C2 und C3 auf, die hier in Dreieck geschaltet sind. Diese Kommutierungskondensatoren C1, C2 und C3 können auch in Stern geschaltet werden. Dieser Kommutierungskondensatorschaltung 6 ist die Drosselschaltung 8 vorgeschaltet, die eingangsseitig mittels der Schaltereinheit 10 mit dem speisenden Netz 12 verbindbar ist. Die Drosselschaltung 8 weist drei Induktivitäten L1, L2 und L3 auf, die jeweils in einer Zuleitung angeordnet sind. Die Schaltereinheit 10 weist drei Schalter S1, S2 und S3 auf, mit denen die Zuleitungen vom speisenden Netz 12 zur Drosselschaltung 8 aufgetrennt werden können. Die Spannungsversorgungseinheit 14 ist eingangsseitig mit den Ausgängen der Schaltereinheit 10 und ausgangsseitig mit einem Versorgungsanschluss der Steuer- und Regeleinrichtung 4 des Matrixumrichters 2 verbunden. Dieser Steuer- und Regeleinrichtung 4 sind wenigstens zwei gemessene Netzphasenspannungen uN2 und uN3 und gemessene Kondensatorspannungen uC1, uC2 und uC3 zugeführt. Es kann auch noch die gemessene Netzphasenspannung uN1 zugeführt werden. Diese Kondensatorspannungen uC1, uC2 und uC3 werden an den Eingängen des Matrixumrichters 2 gemessen, die somit die Eingangsspannungen des Matrixumrichters 2 darstellen. Außerdem stehen an zwei weiteren Eingängen ein gemessener Drehzahl-Istwert nmeß und ein vorbestimmter Drehzahl-Sollwert n* an. Ferner werden in der dargestellten Ausführungsform dieser Steuer- und Regeleinrichtung 4 gemessene Netzströme iN1, iN2 und iN3 zugeführt. Ausgangsseitig ist diese Steuer- und Regeleinrichtung 4 mittels Steuerleitungen mit Steuereingängen des Matrixumrichters 2 und mit einem Steuereingang der Schaltereinheit 10 verknüpft. Die Drosselschaltung 8 und die Kommutierungskondensatorschaltung 6 bilden zusammen ein Netzfilter.

Im Normalbetrieb sind die Schalter S1, S2 und S3 der Schaltereinheit 10 geschlossen. D. h., diese Schalter S1, S2 und S3 sind in der Stellung N, wie Normalbetrieb, geschaltet. Als Schalter S1, S2 und S3 sind jeweils schnelle Schalter vorzusehen, damit bei einem Netzausfall der Matrixumrichter 2 umgehend vom Netz 12 getrennt werden kann. Als schneller Schalter S1, S2 und S3 können Halbleiterschütze vorgesehen sein. Durch diese schnelle Trennung des Matrixumrichters 2 mit der eingangsseitigen Kommutierungskondensatorschaltung 6 wird erreicht, dass die Energieinhalte der Kondensatoren C1, C2 und C3 der Kommutierungskondensatorschaltung 6 sich unwesentlich zum Zeitpunkt vor der Trennung verringert haben. Somit entspricht ein ermittelter Kondensatorspannungs-Istraumzeiger uCmeß kurz vor einem Netzausfall einem ermittelten Kondensatorspannungs-Istraumzeiger uCmeß kurz nach der Trennung. D. h., in Verbindung mit den schnellen Schaltern S1, S2 und S3 hat sich der Eingangsspannungs-Istraumzeiger uCmeß kurz nach der Trennung nur unwesentlich gegenüber einem Eingangsspannungs- Istraumzeiger uCmeß zum Zeitpunkt kurz vor der Trennung geändert. Dieser Eingangsspannungs-Istraumzeiger uCmeß ist der Netzspannung-Raumzeiger unetzmeß mit Nennamplitude uNenn. Während des Pufferbetriebes, gekennzeichnet durch ein P, wird der Motor 16 derart gesteuert, dass dieser Nennwert uNenn der Netzamplitude aufrechterhalten wird, damit bei Netzwiederkehr nur noch der Eingangsspannungs-Istraumzeiger uCmeß auf den ermittelten Netzspannungs-Istraumzeiger unetzmeß gedreht werden muss. Sind die beiden Raumzeiger uCmeß und unetzmeß deckungsgleich, ist der Synchronisierbetrieb abgeschlossen und es wird in den Normalbetrieb gewechselt.

Die Fig. 2 zeigt den Signalflussplan der Steuer- und Regeleinrichtung 4 nach Fig. 1. Diese Steuer- und Regeleinrichtung 4 weist zunächst eine Regeleinheit 18 und eine Steuereinheit 20 auf. Der Regeleinheit 18 ist ein überlagerter Drehzahlregelkreis 22 vorgeschaltet, der dieser Regeleinheit einen Drehmoment-Sollwert m* zuführt. Der Drehzahlregelkreis 22 besteht aus einem Drehzahlregler 24 und einem Vergleicher 26, der einen gemessenen Drehzahl-Istwert nmeß mit einem vorbestimmten Drehzahl-Sollwert n* vergleicht. Außerdem weist diese Steuer- und Regeleinrichtung 4 eine Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers inetzmeß , einen Blindstromregelkreis 30 und eine Einrichtung 32 zum Erfassen eines Netzspannungs- Istraumzeigers unetzmeß auf. Die Einrichtung 28 und der nachgeschaltete Blindstromregelkreis 30 sind für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht erforderlich. Diese beiden Einrichtungen 28 und 30 sind eine Möglichkeit im Normalbetrieb N eine dritte Stellgröße für die Steuereinheit 20 zu generieren. Ein Phasenwinkel-Ausgang einer Einrichtung 32 zum Erfassen eines Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß ist mit einem Winkelstelleingang der Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers inetzmeß verknüpft.

Die Einrichtung 28 weist einen Koordinatenwandler 34 mit nachgeschalteten Vektordreher 36 auf. Der nachgeschaltete Blindstromregelkreis 30 weist einen Regler 38 und einen Vergleicher 40 auf. Die Einrichtung 32 zum Erfassen eines Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß weist ebenfalls einen Koordinatenwandler 42 auf, dem ein weiterer Koordinatenwandler 44 nachgeschaltet ist. An den Eingängen des eingangsseitigen Koordinatenwandlers 34 bzw. 42 der Einrichtung 28 bzw. 32 stehen wenigstens zwei gemessene Werte iN1, iN2 bzw. uN2, uN3 an. Es ist auch möglich, dass alle drei gemessenen Netzstromwerte iN1, iN2, iN3 bzw. Netzphasenspannungen uN1, uN2, uN3 dem korrespondierenden Koordinatenwandler 34 bzw. 42 zugeführt werden.

Mittels dieser Koordinatenwandler 34 und 42 wird jeweils ein Dreiphasensystem in ein orthogonales Zweiphasensystem gewandelt. An den beiden Ausgängen des Koordinatenwandlers 34 bzw. 42 stehen die orthogonalen Komponenten iNα und i bzw. u und U eines mit der Netzfrequenz fN umlaufenden Netzstrom-Istraumzeigers inetzmeß bzw. Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß an. Mittels des nachgeschalteten weiteren Koordinatenwandlers 44 werden die orthogonal umlaufenden Komponenten u und u des Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß in polare Komponenten Amplitude unetz meß und Phasenwinkel γnetz des Netzspannungs- Istraumzeigers unetzmeß gewandelt. Mit Hilfe dieser polaren Komponente Phasenwinkel γnetz des Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß und des Vektordrehers 36 der Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers inetzmeß werden die beiden umlaufenden orthogonalen Stromkomponenten i und i in zwei ruhende Stromkomponenten iW und iµ eines mit dem umlaufenden Netzspannungs-Raumzeiger unetzmeß umlaufenden Koordinatensystems gewandelt. D. h., der Netzstrom-Istraumzeiger inetzmeß ist auf den Netzspannungs-Istraumzeiger unetzmeß abgebildet.

Bei diesen beiden Stromkomponenten iW und iµ handelt es sich um eine Komponente in Richtung des Netzspannungs-Raumzeigers unetzmeß und um eine Komponente senkrecht zur Richtung des Netzspannungs-Raumzeigers unetzmeß. Aus diesen Gründen wird die Komponente iW als Wirkstrom und die Komponente iµ als Blindstrom bezeichnet. Diese ermittelte Blindstromkomponente iµ des Netzstrom-Istraumzeigers inetzmeß wird in dem nachgeschalteten Blindstromregelkreis 30 auf einen vorbestimmten Blindstrom-Sollwert i *|µ geregelt. Die am Ausgang des Reglers 38 anstehende Stellgröße wird einem dritten Eingang der Steuereinheit 20 zugeführt.

Zwei weitere Eingänge dieser Steuereinheit 20 sind mit einem Ausgang eines Glättungsfilter 46 und einem Phasenausgang einer Einrichtung 48 zum Erfassen eines Kondensatorspannungs- Istraumzeigers uCmeß verknüpft. Dieser Kondensatorspannungs- Istraumzeiger uCmeß wird aus gemessenen Kondensatorspannungen uC2 und uC3 bzw. uC1, uC2 und uC3 mittels der Einrichtung 48 zum Erfassen eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß in Abhängigkeit seines Phasenwinkels γC ermittelt. Dazu weist diese Einrichtung 48 einen Koordinatenwandler 50 und einen Vektordreher 52 auf, der dem Koordinatenwandler 50 nachgeschaltet ist. Mittels dieses Koordinatenwandlers 50 werden aus den gemessenen Kondensatorspannungen uC1, uC2 und uC3 zwei orthogonale umlaufende Spannungskomponenten u und u generiert. Diese werden in Abhängigkeit des Phasenwinkels γC des ermittelten umlaufenden Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß in zwei ruhende polare Spannungskomponenten gewandelt. Die polare Komponente Amplitude uC wird mittels des Glättungsfilters 46 geglättet. Die polare Komponente Phasenwinkel γC wird ebenfalls mittels eines Vektorphasenregelkreises 54 geglättet. Dieser Vektorphasenregelkreises 54 weist einen Regler 56, einen Integrator 58 und einen Addierer 60 auf. Am Addierer 60 steht außerdem ein Nennwert fnenn der Netzfrequenz fN an, damit sich der Phasenwinkel γC entsprechend weiterverändert (umlaufender Zeiger). Diese geglätteten polaren Komponenten uC und γC des Eingangsspannungs-Istraumzeigers uCmeß des Matrixumrichters 2 werden für die Berechnung der Steuersignale Sν des Matrixumrichters 2 benötigt.

Damit diese Steuer- und Regeleinrichtung 4 auch zur Überbrückung kurzzeitiger Netzausfälle verwendet werden kann, muss zunächst festgestellt werden, ob ein Netzausfall vorliegt.

Ein Netzausfall wird mittels einer Netzspannungsüberwachungseinrichtung 62 ermittelt, die dem Amplituden-Ausgang der Einrichtung 32 zum Erfassen eines Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß nachgeschaltet ist. Diese Netzspannungsüberwachungseinrichtung 62 weist einen proportional-integral wirkenden Regler 64, der auch als PI-Regler bezeichnet wird, einen Vergleicher 66 und einen Addierer 68 auf. Mittels dieser Überwachungseinrichtung 62 wird festgestellt, ob die Amplitude unetz meß des Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß unter eine vorbestimmte untere Toleranzgrenze fällt. Dazu wird eine Amplitudenabweichung Δunetz ermittelt, die einer Ablaufsteuereinrichtung 70 zugeführt wird. Übersteigt diese ermittelte Amplitudenabweichung Δunetz einen vorbestimmten Wert, schaltet die Ablaufsteuereinrichtung 70 von Normalbetrieb N auf Pufferbetrieb P um. Aufgrund einer positiven Feststellung wird mit einem Ausgangssignal in den Pufferbetrieb P gewechselt. D. h., alle Umschalter 80, 82 und 84 werden in die Stellung P geschaltet und alle mit P gekennzeichneten Regler werden frei gegeben.

Damit Schwankungen des Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß nicht die Projektion des Netzstrom-Istraumzeigers inetzmeß auf den Netzspannungs-Istraumzeiger unetzmeß beeinflussen, wird der Phasenwinkel γnetz des Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß mittels eines Vektorregelkreises 72 geglättet. Dieser zweite Vektorregelkreis 72 weist ebenfalls einen Regler 74, einen Integrator 76, einen Vergleicher und einen Addierer 78 auf. An einem Eingang dieses Addierers 78 steht der Nennwert fnenn, der Netzfrequenz fN an.

Zu diesen mit P gekennzeichneten Regler gehören ein Regler 86 eines Spannungsregelkreises 88 und ein Regler 90 eines Phasenwinkelregelkreises 92. Der Spannungsregelkreis 88 weist neben dem Regler 86 noch einen Vergleicher 94 auf, an dessem invertierenden Eingang die Amplitude uC des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß und an dessem nichtinvertierenden Eingang ein vorbestimmter Amplitudenwert, beispielsweise der Nennwert uNenn der Netzamplitude, anstehen. Der Phasenwinkelregelkreis 92 weist ebenfalls einen Vergleicher 96 auf, an dessem invertierenden Eingang der geglättete Phasenwinkel γC des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß und an dessem nichtinvertierenden Eingang der geglättete Phasenwinkel γnetzdes Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß anstehen. Die mittels der Vergleicher 94 und 96 ermittelten Abweichungen ΔuC und Δγ werden nicht nur den jeweiligen nachgeschalteten Reglern 86 und 90 zugeführt, sondern ebenfalls der Ablaufsteuereinrichtung 70, die diese Werte auswertet. Damit die Spannungs- und Phasenwinkelregelung möglichst schnell einschwingt, werden die Regler 86 und 90 vorgesteuert. Dazu weisen diese Regler 86 und 90 jeweils eine Additionsstelle 98 bzw. 100 auf. Der Vorsteuerwert für den Spannungsregler 86 ist ein zu erwartender Verlustleistungswert Ppuffvor des Matrixumrichters 2. Ausgangsseitig ist diese Additionsstelle 98 mit einem Dividierer 102 verbunden, der ausgangsseitig mit einem Eingang des Umschalters 80 verknüpft ist. Dieser Dividierer dient lediglich zur Linearisierung der Regelstrecke und zur Vorzeichenumkehr bei Drehrichtungsumkehr. Am Nennereingang steht der gemessene Drehzahl-Istwert nmeß an.

Der zweite Eingang dieses Umschalters 80 ist mit dem Ausgang des Drehzahlreglers 24 verbunden. Ausgangsseitig ist dieser Umschalter 80 mit einem Stelleingang der Regeleinheit 18 verbunden, die einen Motorspannungs-Sollraumzeiger u *|motor generiert, aus dem anschließend von der Steuereinheit 20 in Abhängigkeit der polaren Komponenten uC und γC des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß und einer Stellgröße für den Leistungsfaktor Steuersignale Sν für die abschaltbaren Halbleiterschalter des Matrixumrichters 2 generiert werden.

Die Stellgröße für den Leistungsfaktor wird während des Pufferbetriebes P nicht mehr mittels des Blindstromregelkreises 30 generiert, sondern mittels des Phasenregelkreises 92. Dieser Phasenregelkreis 92 weist zwischen dem eingangsseitigen Vergleicher 96 und dem Regler 90 den Umschalter 82 auf, mittels dessen eine ermittelte Phasenwinkelabweichung Δγ oder ein Phasenwinkel γC des ermittelten Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß auf den Reglereingang gegeben werden kann. Die Ausgänge des Blindstromreglers 38 und des vorgesteuerten Phasenwinkelreglers 90 sind jeweils mit einem Eingang des Umschalters 84 verbunden, der ausgangsseitig mit einem Eingang der Steuereinheit 20 für die Stellgröße für den Leistungsfaktor verknüpft ist. Während des Pufferbetriebes P wird der Phasenwinkel γC des ermittelten Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß geregelt. D. h., der Phasenwinkel γC des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß wird so geregelt, dass dieser sich dem Nennwert fnenn der Netzfrequenz fN entsprechend weiter verändert (umlaufender Zeiger). Der Vorsteuerwert des Phasenwinkelreglers 90 ist ein zu erwartender Blindstrom, der vom Wert der Kommutierungskondensatoren C1, C2 und C3, vom Wert der Amplitude uNenn des geregelten Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß und von der Netzkreisfrequenz ωN abhängig ist.

Somit wird während des Pufferbetriebes P der Kondensatorspannungs-Istraumzeiger uCmeß auf einen kurz vor dem Netzausfall ermittelten Netzspannungs-Istraumzeiger unetzmeß geregelt, der mit dem Nennwert der Netzfrequenz weitergedreht wird. Die Zeitspanne für die Überbrückung eines Netzausfalls hängt von der Schwungmasse des Antriebs ab. Kommt der Antrieb zum Stehen, weil die gesamte kinetische Energie aufgebraucht ist, bricht die Kondensatorspannung uCmeß zusammen, wodurch sich der Antrieb mit Störung "Netzspannungsausfall" abschaltet.

Während des Pufferbetriebs P wird das Netz 12 auf Wiederkehr der Netzspannung überwacht. Dies wird von der Ablaufsteuereinrichtung 70 in Abhängigkeit der ermittelten Amplitudenabweichung Δunetz der Netzspannung durchgeführt. Unterschreitet diese Amplitudenabweichung Δunetz einen vorbestimmten Wert, so ist dies das Zeichen für die Wiederkehr der Netzspannung. Sobald dies erkannt worden ist, steuert die Ablaufsteuereinrichtung 70 die Umschalter 80, 82 und 84 so, dass diese in die Stellung S für Synchronisierbetrieb S gelangen. Außerdem werden alle mit S gekennzeichneten Regler frei gegeben. Durch diese Schalthandlungen wird vom Pufferbetrieb P in den Synchronisierbetrieb S gewechselt.

Der Unterschied des Synchronisierbetriebs S zum Pufferbetrieb P besteht darin, dass im Phasenregelkreis 92 nun eine ermittelte Phasenwinkelabweichung Δγ zwischen dem Phasenwinkel γnetz des Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß und dem Phasenwinkel γC des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß verwendet wird. Die Amplitude uC und der Phasenwinkel γC des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß werden jetzt so geregelt, dass dieser Kondensatorspannungs-Istraumzeiger uCmeß mit dem Netzspannungs-Istraumzeigers unetzmeß zur Deckung kommt. Das Erreichen dieses Ziels ist daran erkennbar, dass die ermittelten Amplitudenabweichung ΔuC und Phasenwinkelabweichung Δγ zu Null werden. Sobald dies von der Ablaufsteuereinrichtung 70 ermittelt worden ist, werden die Schalter S1, S2 und S3 der Schaltereinheit 10 wieder geschlossen und die Steuer- und Regeleinrichtung 4 wechselt wieder in den Normalbetrieb. Das nachfolgende Beschleunigen auf den ursprünglichen Drehzahl-Sollwert n* kann man weich gestalten, indem die Vorgabe des Drehzahl-Sollwertes n* über einen nicht näher dargestellten Hochlaufgeber geschieht. Dabei wird der Hochlaufgeber beim Wechsel in den Normalbetrieb auf den augenblicklichen Drehzahl-Istwert nmeß gesetzt.

In der Fig. 3 ist ein Signalflussplan einer vorteilhaften Regelung für einen Einzelantrieb nach Fig. 1 näher dargestellt. Diese vorteilhafte Regelung unterscheidet sich vom Signalflussplan der Regelung nach Fig. 2 dadurch, dass anstelle einer Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers inetzmeß mit nachgeschaltetem Blindstromregelkreis 30 Vorsteuerwerte für den Leistungsfaktor und für die Frequenz der Kondensatorspannung für die einzelnen Betriebsarten der Steuer- und Regeleinrichtung 4 des Matrixumrichters 2 verwendet werden. Die Vorsteuerwerte für den Leistungsfaktor werden mittels eines Umschalters 104 dem entsprechenden Eingang der Steuereinheit 20 zugeführt. Die Vorsteuerwerte für die Frequenz der Kondensatorspannung werden mittels eines Umschalters 106 auf einen Eingang des Vergleichers 60 des Vektorregelkreises 54 für die Glättung des Phasenwinkels γC des ermittelten Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß gegeben. Dieser Darstellung kann entnommen werden, dass die Stellgröße "cosΦ" abhängig vom Betriebszustand gesteuert vorgegeben wird. Die Frequenz des Phasenwinkels γC des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß stellt sich im Pufferbetrieb und während der Synchronisierung frei ein. Die Vorsteuerwerte fPuffer, fSynchron und fnenn für den Pufferbetrieb P, den Synchronisierbetrieb S und den Normalbetrieb N dienen einzig der Vorsteuerung des Vektorphasenregelkreises 54 zur Glättung des Phasenwinkels γC des ermittelten Kondensatorspannungs- Istraumzeigers uCmeß. Nach Wiederkehr der Netzspannung erfolgt der Übergang in den Normalbetrieb N, in dem die schnellen Schalter S1, S2 und S3 der Schaltereinheit 10 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt zugeschaltet werden. Dieser vorbestimmte Zeitpunkt hängt von der Phasenwinkelabweichung Δγ des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers unetzmeß vom Netzspannungs- Istraumzeigers unetzmeß ab. Ein bevorzugter Zeitpunkt für die Zuschaltung ist erreicht, wenn die Phasenwinkelabweichung Δγ annähernd Null ist. Durch die gesteuerte Vorgabe des Blindstromes iµ mittels des Vorsteuerwertes cosΦsynchron entsprechend einer Frequenz fsynchron lässt sich die Anforderung an die Geschwindigkeit bzw. Genauigkeit des Zuschaltens reduzieren. Die Synchronzeitpunkte zum Zuschalten der Schalter S1, S2 und S3 treten dann allerdings seltener auf.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Regelung besteht in der einfacheren Signalverarbeitung, wodurch jedoch der Synchronisierbetrieb S länger wird und das Zuschalten mit stärkeren Ausgleichsvorgängen behaftet ist. Der Pufferwert fPuffer kann neben einem Wert um den Nennwert fnenn der Netzfrequenz fN auch Null sein. In diesem Fall ist der Kondensatorspannungs- Istraumzeiger uCmeß ein stehender Zeiger (Gleichspannung) und es können keine anderen Verbraucher mitversorgt werden, die auf Netzfrequenzspannungen angewiesen sind.

Gemäß dem Blockschaltbild eines Mehrachsenantriebs nach Fig. 4 weist dieser pro Achse einen Motor 161, 162, 163, einen Matrixumrichter 21, 22, 23 und eine Kommutierungskondensatorschaltung 61, 62, 63 auf. Die Kommutierungskondensatorschaltungen 61, 62 und 63 sind eingangsseitig mit einer Drosselschaltung 8 verbunden, die eingangsseitig mittels einer Schaltereinheit 10 mit einem speisenden Netz 12 verbindbar ist. Jede Kommutierungskondensatorschaltung 61, 62 und 63 weist drei Kondensatoren C1, C2 und C3 auf, die hier in Dreieck geschaltet sind. Diese Kommutierungskondensatoren C1, C2 und C3 können auch in Stern geschaltet werden. Die Drosselschaltung 8 weist drei Induktivitäten L1, L2 und L3 auf, die jeweils in einer Zuleitung angeordnet sind. Die Schaltereinheit 10 weist drei Schalter S1, S2 und S3 auf, mit denen die Zuleitungen vom speisenden Netz 12 zur Drosselschaltung 8 aufgetrennt werden können. Eine Spannungsversorgungseinheit 14 ist eingansseitig mit den Ausgängen der Schaltereinheit 10 und ausgangsseitig mit einem Versorgungsspannungsanschluss der Steuer- und Regeleinheit 4' verbunden. Dieser Steuer- und Regeleinrichtung 4' sind wenigstens zwei gemessene Netzspannungen uN3, uN2, zwei gemessene Kondensatorspannungen uC3, uC2 und zwei gemessene Netzströme iN3, iN2 zugeführt. Diese Steuer- und Regeleinrichtung 4' ist ausgangsseitig mit den Steuereingängen der Schaltereinheit 10 und jeweils mit einer umrichternahen Steuer- und Regeleinrichtung 4"1, 4"2 und 4"3 verbunden. Jeder dieser Steuer- und Regeleinrichtungen 4"1, 4"2 und 4"3 ist ein gemessener Drehzahl-Istwert nmeß zugeführt. Von der Steuer- und Regeleinrichtung 4' werden generierte Signale n*1, n*2, n*3 und Kµ den umrichternahen Steuer- und Regeleinrichtungen 4"1, 4"2 und 4"3 zugeführt.

In der Fig. 5 ist ein Signalflussplan des Mehrachsenantriebs nach Fig. 4 näher dargestellt. Dieser Signalflussplan unterscheidet sich vom Signalflussplan gemäß Fig. 2 dadurch, dass die Steuer- und Regeleinheit 4 nun in eine zentrale Einheit 4' und mehrere Umrichtereinheiten 4"1, 4"2 und 4"3 unterteilt ist. Die zentrale Einheit 4' umfasst die Einrichtungen 28, 32 und 48 zum Erfassen eines Netzstrom-, eines Netzspannungs- und eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers inetzmeß, unetzmeßund uCmeß. Außerdem gehören zu dieser zentralen Einheit 4' der Blindstromregelkreis 30, die Vektorphasenregelkreise 54 und 72, die Netzspannungsüberwachungseinrichtung 62, die Ablaufsteuereinrichtung 70, der Phasenwinkelregelkreis 92 und ein abgewandelter Spannungsregelkreis 88. Diese Bausteine sind bereits ausführlich beschrieben, so dass an dieser Stelle auf eine Wiederholung verzichtet werden kann. Die Stellgröße für den Leistungsfaktor ist hier mit Kµ bezeichnet worden. Außerdem wird diese Stellgröße auch nicht direkt einem Eingang einer Steuereinheit 201, 202 bzw. 203 zugeführt, jeder Antrieb bewertet diese Stellgröße Kµ mit einem individuellen Bezugswert iBezug, der jeweils von einer Regeleinheit 181, 182 bzw. 183 der Umrichtereinheiten 4"1, 4"2 bzw. 4"3 generiert wird. Der individuelle Bezugswert iBezug kann beispielsweise vom Netzstrom, vom Leerlaufstrom des Motors, vom Mindeststrom bei Feldschwächung oder von der augenblicklichen Blindstromleistungsfähigkeit des zugehörigen Antriebs abgeleitet sein. Es ist auch möglich, dass die individuellen Bezugswerte iBezug entsprechend einer gewünschten Aufteilung der Beiträge der Antriebe zum Gesamtblindstrom eingestellt werden. Durch diese individuelle Bearbeitung der Stellgröße Kµ kann damit die Steuerung der eingangsseitigen Blindströme für alle Antriebe des Mehrachsenantriebs mit dem gleichen Signal Kµ erfolgen.

Der Spannungsregelkreis 88 ist eine Einrichtung 108 zur Achskoordinierung nachgeschaltet, wobei zwischen dem Spannungsregelkreis 88 und der Einrichtung 108 zur Achskoordinierung eine Einrichtung 110 zur Bewertung eines Hauptgeschwindigkeits- Sollwertes n*** geschaltet ist. Mittels des Hauptgeschwindigkeits-Sollwertes n*** wird die Geschwindigkeit des gesamten Mehrachsenantriebs gesteuert. Die Einrichtung 110 zur Bewertung weist einen Multiplizierer 112 und einen Subtrahierer 114 auf. An einem Eingang des Multiplizierers 112 steht der Hauptgeschwindigkeits-Sollwert n*** und am zweiten Eingang ein Gewichtungsfaktor KU, der am Ausgang des Subtrahierers 114 ansteht, an. Ausgangsseitig ist dieser Multiplizierer 112 mit einem Eingang der Einrichtung 108 zur Achskoordinierung verknüpft. Am ersten Eingang des Subtrahierers 114 steht eine Konstante mit dem Wert Eins und sein zweiter Eingang ist mit dem Ausgang des Spannungsregelkreises 88 verknüpft. Da dieser Spannungsregelkreis 88 nur während des Puffer- und Synchronisierbetriebs aktiv ist, wird im Normalbetrieb der Hauptgeschwindigkeits-Sollwert n*** unverändert an die Einrichtung 108 zur Achskoordinierung weitergeleitet. Im Pufferbetrieb und während der Synchronisierung wird der Hauptgeschwindigkeits-Sollwert n*** so reduziert, dass die Gesamteinspeiseleistung alle Antriebe in der Summe gleich Null ist, d. h., der Gesamtleistungsbedarf aus der kinetischen Energie des Mehrachsenantriebs gedeckt wird.

Bei der Einrichtung 108 zur Achskoordinierung kann es sich um eine Gleichlaufregeleinrichtung, ein elektronisches Getriebe, elektronische Kurvenscheiben oder ähnliche Verkopplungen handeln, wie sie bei mehrachsigen Antriebskonfigurationen üblich sind. Durch eine komplexere Gestaltung der Einrichtung 108 zur Achskoordinierung kann der Mehrachsenantrieb natürlich auch so gesteuert werden, dass im Pufferbetrieb und während der Synchronisierung einzelne Antriebe oder Antriebsgruppen mit unveränderter Geschwindigkeit weiterlaufen und nur einige Antriebe dieses Mehrachsenantriebs die Funktion "kinetische Pufferung" übernehmen. Analog zur Vorgehensweise bei einem Einzelantrieb lässt sich auch hier mit Hilfe eines Hochlaufgebers nach Netzwiederkehr und erfolgter Synchronisierung eine langsame Rückkehr zur ursprünglichen Hauptgeschwindigkeit erreichen. Die genannten übrigen Einheiten dieser zentralen Einheit 4' arbeiten weitgehend wie bei einem Einzelantrieb gemäß der Fig. 2. Diese zentrale Einheit 4' kann in einer getrennten Signalverarbeitung realisiert werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, diese zentrale Einheit 4' einem Antrieb, beispielsweise einem Master-Antrieb, des Mehrachsenantriebs zuzuordnen. Diese zentrale Einheit 4' kann auch auf die Signalverarbeitung der einzelnen Antriebe verteilt werden.

Da die Steuereinheit 20 des Matrixumrichters 2 die geglätteten Komponenten des ermittelten Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß (Eingangsspannungs-Istraumzeiger) benötigt, werden jedem Antrieb des in Fig. 4 dargestellten Mehrachsenantriebs die gemessenen Kondensatorspannungen uC1, uC2 und uC3 zugeführt. Gemäß dem zugehörigen Signalflussplan der Fig. 5 weist jede Umrichtereinheit 4"1, 4"2 bzw. 4"3 eine Einrichtung 481, 482 bzw. 483 zum Erfassen eines Kondensatorspannungs- Istraumzeigers uCmeß auf. Da die Komponenten dieses ermittelten Kondensatorspannungs-Istraumzeigers uCmeß geglättet werden müssen, sind ein Glättungsfilter 461, 462 bzw. 463 und ein Vektorphasenregelkreis 541, 542 bzw. 543 der Einrichtung 481, 482 bzw. 483 nachgeschaltet. Ausgangsseitig sind das Glättungsfilter 461, 462 bzw. 463 und der Vektorphasenregelkreis 541, 542 bzw. 543 jeweils mit einem korrespondierenden Eingang der Steuereinheit 201, 202 bzw. 203 verknüpft. Die Umrichtereinheit 4"1, 4"2 bzw. 4"3 weist außerdem zur individuellen Bewertung des Stellsignals Kµ für den Leistungsfaktor einen Multiplizierer 1161, 1162 bzw. 1163 auf. An einem Eingang diese Multiplizierers 1161, 1162 bzw. 1163 steht das generierte Stellsignal Kµ und am anderen Eingang steht ein Bezugsstromwert iBezug1, iBezug2 bzw. iBezug3 an. Ausgangsseitig ist der Multiplizierer 1161, 1162 bzw. 1163 mit dem Eingang für die Stellgröße des Leistungsfaktors der Steuereinheit 201, 202 bzw. 203 verbunden.

In der Fig. 6 ist eine Variante des Mehrachsenantriebs nach Fig. 4 dargestellt. Diese Variante des Mehrachsenantriebs unterscheidet sich vom Mehrachsenantrieb nach Fig. 4 dadurch, dass jedem Antrieb eine Drosseleinheit 81, 82 bzw. 83 zugeordnet ist. Dadurch weist jeder Antrieb des Mehrachsenantriebs ein eigenes Netzfilter auf, das jeweils von den Induktivitäten L1, L2 und L3 der Drosseleinheit 81, 82 bzw. 83 und den Kondensatoren C1, C2 und C3 der Kommutierungskondensatorschaltung 61, 62 bzw. 63 gebildet wird. Dadurch wird nun von der zentralen Einheit 4' die Spannungen vor und nach der Schalteinheit 10 ausgewertet. Somit besteht der Mehrachsenantrieb aus mehreren Einzelantrieben gemäß Fig. 1, die eingangsseitig elektrisch parallel geschaltet sind.

In der Fig. 7 ist ein zugehöriger Signalflussplan zum Mehrachsenantrieb gemäß Fig. 6 näher dargestellt. Dieser Signalflussplan unterscheidet sich vom Signalflussplan gemäß Fig. 5 dadurch, dass anstelle einer Einrichtung 28 zum Erfassen eines Netzstrom-Istraumzeigers inetzmeß mit nachgeschalteten Blindstromregelkreis 30 ein Vorsteuerwert i *|µ normal vorgesehen ist. Dadurch weist nun jede Umrichtereinheit 4"1, 4"2 bzw. 4"3 einen Blindstromregelkreis 301, 302 bzw. 303 auf. Ausgangsseitig ist jeder Blindstromregelkreis 301, 302 bzw. 303 der Umrichtereinheiten 4"1, 4"2 bzw. 4"3 mit einem Eingang für die Stellgröße des Leistungsfaktors der Steuereinheit 201, 202 bzw. 203 verknüpft. Dadurch regelt im Normalbetrieb jeder Antrieb des Mehrachsenantriebs einen eigenen Blindstrom. Diese Stelleingänge werden im Pufferbetrieb und bei der Synchronisation zur Regelung des Winkels der Sammelschienenspannung benutzt.

Bei einem Mehrachsenantrieb müssen nicht alle Einzelantriebe vom Typ Matrixumrichter sein. Die Kombination mit anderen Umrichtern, z. B. konventionellen Zwischenkreisumrichtern, ist möglich. Falls ein solcher Umrichter mit einer selbstgeführten Einspeiseschaltung, auch als Aktiv Front End (AFE) bezeichnet, ausgeführt wird, kann er sich vorteilhaft an der Lieferung der Kondensatorblindleistung beteiligen oder diese ganz übernehmen. Dies liegt nahe, da ein Umrichter mit Aktiv Front End im Gegensatz zu einem Matrixumrichter - bei einem schwach belasteten Antrieb - auf der Einspeiseseite den Maximalstrom des Umrichters als Blindstrom liefern kann. Diese Variante funktioniert auch, wenn der Spannungszwischenkreisumrichter keinen Wechselrichter aufweist, d. h., dass der Aktiv Front End-Stromrichter nur einen Kondensator speist. In diesem Fall ist der AFE-Stromrichter ein reiner Blindleistungslieferant.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Überbrückung von kurzzeitigen Netzausfällen bei einem Matrixumrichter (2) mit mehreren netzseitigen Kommutierungskondensatoren (C1, C2, C3) und einer netzseitigen Schaltereinheit (10), wobei bei einem ermittelten Netzausfall der Matrixumrichter (2) umgehend vom speisenden Netz (12) getrennt wird und dieser während des Pufferbetriebes derart geregelt wird, dass sich an seinem Eingang ein Kondensatorspannungs-Istraumzeiger (uCmeß) einstellt, dessen Amplitude (uC) und Phasenwinkel (γC) jeweils einen vorbestimmten Wert einnimmt, wobei bei Wiederkehr der Netzspannung dieser eingestellte Kondensatorspannungs-Istraumzeiger (uCmeß) während eines Synchronisierbetriebs (P) einem ermittelten Netzspannungs-Istraumzeiger (unetzmeß) solange nachgeführt wird, bis beide zusammenfallen und wobei dann der Matrixumrichter (2) wieder an das speisende Netz (12) geschaltet wird.
  2. 2. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Blindstromstellgröße für einen Normal-, Puffer- und Synchronisierbetrieb (N, P, S) des Matrixumrichters (2) fest vorgegeben wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei bei mehreren Matrixumrichtern (2) kurzzeitige Netzausfälle überbrückt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine erzeugte Blindstromstellgröße jeweils mit einem individuellen Bezugswert (iBezug1, iBezug2, iBezug3) eines Antriebs bewertet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus gemessenen Kondensatorspannungen (uC1, uC2, uC3) zwei orthogonale Spannungskomponenten (u, u) eines Kondensatorspannungs- Istraumzeigers (uCmeß) gebildet werden, aus denen mit Hilfe eines geglätteten Phasenwinkels (γC) dieses Kondensatorspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) dessen Amplitude (uC) und Phasenwinkel (γC) bestimmt werden, wobei dieser Phasenwinkel (γC) in Abhängigkeit eines Nennwertes (fnenn) der Netzfrequenz (fN) geglättet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus gemessenen Phasenspannungen (uN1, uN2, u3) zwei orthogonale Spannungskomponenten (u, u) eines Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) gebildet werden, die anschließend in polare Komponenten (unetzmeß, γnetz) gewandelt werden, dass die Amplitude (unetz meß) des zu ermittelten Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) mit einem Amplituden-Sollwert (uNenn) verglichen wird und eine festgestellte Abweichung (Δunetz) für die Umschaltung von Normal- in Pufferbetrieb (N, P) und von Puffer- in Synchronisierbetrieb (P, S) ausgewertet wird, und dass der Phasenwinkel (γnetz) des ermittelten Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) mittels eines Nennwertes (fnenn) der Netzfrequenz (fN) geglättet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer ermittelten Amplitudenabweichung (ΔuC) der Amplitude (uC) des Kondensatorsspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) zur Amplitude (uNenn) des Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) und in Abhängigkeit einer ermittelten Phasenwinkelabweichung (Δγ) des Phasenwinkels (γC) des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) zum Phasenwinkel (γnetz) des Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) der Matrixumrichter (2) wieder an das speisende Netz (12) geschaltet wird und vom Synchronisierbetrieb (S) in den Normalbetrieb (N) gewechselt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des Kondensatorspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) auf einen Kondensatorspannungs-Sollraumzeiger Vorsteuerwerte für dessen Komponenten verwendet werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerwert für die Amplitudenregelung ein Wert einer zu erwartenden Verlustleistung (Ppuff vor) des Matrixumrichters (2) ist.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerwert für die Phasenwinkelregelung ein Wert eines zu erwartenden Blindstromes eines Netzstrom-Raumzeigers (inetzmeß) ist.
  10. 10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Synchronisierbetrieb (S) in den Normalbetrieb (N) bzw. vom Normalbetrieb (N) in den Pufferbetrieb (P) umgeschaltet wird, sobald die Amplitude (unetz meß) des erfassten Netzspannungs- Istraumzeigers (unetzmeß) eine untere bzw. eine obere Toleranzgrenze überschreitet.
  11. 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Schaltereinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung jeweils eine Einrichtung (48, 32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Istraumzeigers (uCmeß, unetzmeß), einen Spannungsregelkreis (88), einen Phasenwinkelregelkreis (90), eine Netzspannungsüberwachungseinrichtung (62), mehrere Umschalter (80, 82, 84) und eine Ablaufsteuereinrichtung (70) aufweist, dass der Spannungsregelkreis (88) eingangsseitig jeweils mit einem Amplitudenausgang der Einrichtung (48, 32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Istraumzeigers (uCmeß, unetzmeß) verbunden ist, der ausgangsseitig mittels eines ersten Umschalters (80) mit einem Sollwert-Eingang der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) verbindbar ist, dass der Phasenwinkelregelkreis (90) eingangsseitig jeweils mit einem Phasenwinkelausgang der Einrichtungen (48, 32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Istraumzeigers (uCmeß, unetzmeß) verbunden ist, der ausgangsseitig mittels eines zweiten Umschalters (84) mit einem Steuereingang der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) verbindbar ist, dass die Ausgänge der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) mit zwei weiteren Steuereingängen der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) verknüpft sind, und dass die Ablaufsteuereinrichtung (70) eingangsseitig jeweils mit einem Regeldifferenz-Ausgang des Spannungsregelkreises (88), des Phasenregelkreises (90) und der Netzspannungsüberwachungseinrichtung (62), die eingangsseitig mit einem Amplitudenausgang der Einrichtung (32) zur Bestimmung eines Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) verknüpft ist, und ausgangsseitig jeweils mit einem Steuereingang der Umschalter (80, 82, 84) und mit einem Steuereingang der Schaltereinheit (10) verbunden ist.
  12. 12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Schaltereinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung jeweils eine Einrichtung (48, 32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und Netzspannungs-Istraumzeigers (uCmeß, unetzmeß), einen Spannungsregelkreis (88), eine Ablaufsteuereinrichtung (70) und mehrere Umschalter (80, 104, 106) aufweist, dass der Spannungsregelkreis (88) eingangsseitig jeweils mit einem Amplitudenausgang der Einrichtung (48, 32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Istraumzeigers (uCmeß, unetzmeß) verbunden ist und ausgangsseitig mittels eines ersten Umschalters (80) mit einem Sollwert-Eingang der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) verbindbar ist, dass an den Eingängen des zweiten bzw. dritten Umschalters (104, 106) jeweils ein Steuerwert ansteht, dass die Phasenwinkelausgänge der Einrichtungen (32, 48) jeweils mit einem Eingang eines Phasenwinkel-Vergleichers (96) verknüpft ist, dessen Ausgang mit einem Steuereingang der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) und der Ablaufsteuereinrichtung (70) verbunden ist, dass der Ausgang des dritten Umschalters (104), der Amplituden-Ausgang und der Phasenwinkel-Ausgang der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) jeweils mit weiteren Steuereingängen der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) verbunden sind, dass dem Amplituden- Ausgang der Einrichtung (32) zur Erfassung eines Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) eine Netzspannungsüberwachungseinrichtung (72) nachgeschaltet ist, und dass die Ablaufsteuereinrichtung (70) eingangsseitig jeweils mit einem Regeldifferenz-Ausgang des Spannungsregelkreises (88) und der Netzspannungsüberwachungseinrichtung (72) und dem Phasenwinkelvergleicher (96) und ausgangsseitig jeweils mit einem Steuereingang der Umschalter (80, 104, 106) und mit einem Steuereingang der Schaltereinheit (10) verbunden ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass den Phasenausgängen der Einrichtung (48, 32) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs- und eines Netzspannungs-Istraumzeigers (uCmeß, unetzmeß) jeweils ein Vektorphasenregelkreis (54, 72) nachgeschaltet sind.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des zweiten Umschalters (106) mit einem Frequenzeingang des Vektorphasenregelkreises (54) verbunden ist, der dem Phasenausgang der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) verknüpft ist.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (48, 28) zur Erfassung des Kondensatorspannungs- und des Netzstrom-Istraumzeigers (uCmeß, inetzmeß) jeweils einen Koordinatenwandler (50,34) mit nachgeschaltetem Vektordreher (52, 36) aufweisen.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (32) zur Erfassung des Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) zwei in Reihe geschaltete Koordinatenwandler (42, 44) aufweist.
  17. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Amplituden-Ausgang der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) eine Glättungseinrichtung (46) nachgeschaltet ist.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Phasenwinkel-Ausgang der Einrichtung (32) zur Erfassung eines Netzspannungs-Istraumzeigers (unetzmeß) ein Vektorphasenregelkreis (72) nachgeschaltet ist.
  19. 19. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregelkreis (88) einen Vergleicher (94) mit nachgeschalteten Regler (86) aufweist.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkelregelkreis (92) eingangsseitig einen Vergleicher (96) mit nachgeschalteten Regler (90) aufweist.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkelregelkreis (92) eingangsseitig einen Vergleicher (96) und ausgangsseitig einen Regler (90) aufweist, der eingangsseitig mittels eines dritten Umschalters (82) mit dem Ausgang des Vergleichers (96) verknüpft ist, dessen zweiter Eingang mit einem Phasenwinkel-Ausgang der Einrichtung (48) zur Erfassung eines Kondensatorspannungs-Istraumzeigers (uCmeß) Verbunden ist.
  22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Bestandteil der Steuer- und Regeleinrichtung (4) des Matrixumrichters (2) ist.
  23. 23. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Signalprozessor ist.






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