DE10055396B4

DE10055396B4 - Device for operating a high-speed rotating field machine and its use

Info

Publication number: DE10055396B4
Application number: DE2000155396
Authority: DE
Inventors: Dr. Bünte Andreas; Thomas Ortmann
Original assignee: Lust Antriebstechnik GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: DE10055396A1

Abstract

Vorrichtung zum Betrieb einer im Niederspannungsbereich betriebenen, schnelllaufenden Drehfeldmaschine (1) oder eines im Niederspannungsbereich betriebenen Hochgeschwindigkeitsantriebs mit Drehfeldmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass als leistungselektronisches Stellglied ein Dreipunkt-Wechselrichter eingesetzt wird, die Drehfeldmaschine (1) von dem Dreipunkt-Wechselrichter durch ein Filter (7) entkoppelt wird und die Wirkung des Filters (7) mit einem Beobachter (21) oder einem Modell nachgebildet wird.Device for operating a high-speed induction machine (1) operated in the low-voltage range or a high-speed drive with an induction machine (1) operated in the low-voltage range, characterized in that a three-point inverter is used as the power electronic actuator, the induction machine (1) from the three-point inverter a filter (7) is decoupled and the effect of the filter (7) is simulated with an observer (21) or a model.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum verlustarmen Betrieb von schnelllaufenden Drehfeldmaschinen, insbesondere schnelllaufende Synchron- oder Asynchronmaschinen, mit mechanischen Drehfrequenzen von mindestens einigen Hundert Hertz. Durch die Erfindung werden die im Motor entstehenden Verluste minimiert. Insbesondere im Rotor, dessen Erwärmung für viele Prozesse kritisch ist, entstehen durch Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung minimale Verluste. Die Erfindung bezieht sich weiter auf Verwendungen, bei denen diese Vorrichtung im besonderen Maße von Vorteil ist.The invention relates to a device for low-loss operation of high-speed rotary field machines, in particular high-speed synchronous or asynchronous machines, with mechanical rotation frequencies of at least a few hundred hertz. The invention minimizes the losses incurred in the engine. In particular in the rotor, the heating of which is critical for many processes, minimal losses occur when using the device according to the invention. The invention further relates to uses in which this device is particularly advantageous.

Typischerweise werden schnelllaufende, im Niederspannungsbereich arbeitende Drehfeldmaschinen mit Zweipunkt-Wechselrichtern, die mit Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreis gespeist werden können, betrieben. Dabei wird der Wechselrichter im Blockbetrieb oder mit einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation betrieben. Beide Varianten sind für schnelllaufende Antriebe nicht optimal. Bei Blockbetrieb enthalten die Strangströme Oberschwingungsanteile, die im Motor zu Kupferverlusten und insbesondere zu Eisenverlusten führen. Bei einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation, die eine im Vergleich zur Speisefrequenz f_Mot deutlich höhere Schaltfrequenz erfordert, ist im Hinblick auf die kleinen Streu- bzw. Ständerinduktivitäten und die entsprechend große Stromwelligkeit eine Filterung der Ausgangsspannung des Zweipunkt-Wechselrichters erforderlich [2]. Aufgrund der Schaltverluste ist die Schaltfrequenz f_Schalt beim Zweipunkt-Wechselrichter begrenzt, so dass die Grenzfrequenz f_G des Filters (2) für vergleichsweise kleine Schaltfrequenzen auszulegen ist. Die Grenzfrequenz liegt zwischen der Speisefrequenz der Drehfeldmaschine und der Schaltfrequenz des Wechselrichters. Auf der anderen Seite ist die Baugröße, das Volumen und das Gewicht des Filters (2) stark von der Grenzfrequenz abhängig. Beim Zweipunktwechselrichter sind die Filterelemente deshalb groß, schwer und teuer.Typically, high-speed, low-voltage rotary field machines are operated with two-point inverters that can be supplied with a DC or DC intermediate circuit. The inverter is operated in block mode or with a sine-weighted pulse width modulation. Both versions are not optimal for high-speed drives. In block mode, the phase currents contain harmonic components which lead to copper losses in the motor and in particular to iron losses. In the case of sinusoidal pulse width modulation, which requires a significantly higher switching frequency compared to the feed frequency f _Mot , filtering of the output voltage of the two-point inverter is required in view of the small stray inductances and stator inductances and the correspondingly large current ripple [2]. Due to the switching losses, the switching frequency f _{switching is} limited in the two-point inverter, so that the cutoff frequency f _{G of} the filter ( 2 ) is to be interpreted for comparatively small switching frequencies. The cutoff frequency is between the feed frequency of the induction machine and the switching frequency of the inverter. On the other hand, the size, volume and weight of the filter ( 2 ) strongly dependent on the cutoff frequency. The two-point inverter filter elements are therefore large, heavy and expensive.

Als weiterer Nachteil einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation beim Zweipunkt-Wechselrichter ist die Begrenzung der Speisefrequenz. Für eine realistische Schaltfrequenz von maximal 20 kHz ist maximal eine Speisefrequenz von ca. 2 kHz möglich, sofern Speise- und Schaltfrequenz nicht synchronisiert werden. In vielen Fällen verbietet sich deshalb der Einsatz von Drehfeldmaschinen mit Polpaarzahlen größer als eins, der im Hinblick auf eine optimale Bauleistung der Drehfeldmaschine wünschenswert ist.Another disadvantage of sinusoidal pulse width modulation in the two-point inverter is the limitation of the supply frequency. For a realistic switching frequency of 20 kHz maximum, a maximum feed frequency of approx. 2 kHz is possible, provided that the supply and switching frequencies are not synchronized. In many cases, therefore, prohibits the use of induction machines with Polpaarzahlen greater than one, which is desirable in terms of optimum performance of the induction machine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebssystemlösung zu schaffen, bei der diese bekannten Nachteile vermieden werden. Aus dem Hochleistungsbereich für den Mittelspannungsbereich ist der Dreipunkt-Wechselrichter bekannt [1]. Seine Vorzüge liegen darin, dass die Halbleiter nur mit einer Sperrspannung in Höhe der halben Zwischenkreisspannung beaufschlagt werden. Daraus lasst sich für den Mittelspannungsbereich der Vorteil ableiten, dass statt GTOs nun IGBTs eingesetzt werden können. Durch die deutlich besseren Eigenschaften der IGBTs ist der vergrößerte schaltungstechnische Aufwand gerechtfertigt. Für den Niederspannungsbereich wurde bisher der Dreipunkt-Wechselrichter nicht eingesetzt. Mit seinen Eigenschaften bietet er aber für den Einsatz mit schnelllaufenden Drehfeldmaschinen entscheidende Vorteile:

• Es können aufgrund der geringen Sperrspannungsbeanspruchung sehr schnell schaltende Halbleiter eingesetzt werden (MOSFETS, o. ä.).
• Aufgrund der schnell schaltenden Halbleiter kann die Schaltfrequenz deutlich erhöht werden.
• Der Dreipunkt-Wechselrichter lasst verfeinerte Spannungsstellmöglichkeiten zu, da jeder Strang zusätzlich mit dem Mittelpotenzial des Zwischenkreises verbunden werden kann.
• Aufgrund der hohen Schaltfrequenz und der verfeinerten Stellmöglichkeiten kann die Welligkeit der Strangströme und somit auch die Verluste in der Drehfeldmaschine drastisch reduziert werden. Gegebenenfalls kann auf den Einsatz eines Filters verzichtet werden.
• Falls ein Filter zur Abkopplung des Dreipunkt-Wechselrichters von der Drehfeldmaschine weiterhin erforderlich ist, kann das Filter aufgrund der hohen Schaltfrequenz und der verfeinerten Stellmöglichkeiten kleiner, leichter und kostengünstiger realisiert werden.
• Aufgrund der hohen Schaltfrequenz kann die maximal zulässige Speisefrequenz erhöht und eine Drehfeldmaschine mit einer Polpaarzahlen größer als eins eingesetzt werden.

The invention has for its object to provide a drive system solution in which these known disadvantages are avoided. The three-level inverter is known from the high-performance range for the medium-voltage range [1]. Its advantages are that the semiconductors are only subjected to a reverse voltage equal to half the DC link voltage. From this it is possible to derive the advantage for the medium-voltage range that IGBTs can now be used instead of GTOs. Due to the significantly better properties of the IGBTs the increased circuit complexity is justified. For the low voltage range, the three-point inverter has not been used so far. With its properties, however, it offers decisive advantages for use with high-speed rotary field machines:

• Due to the low reverse voltage stress, very fast switching semiconductors can be used (MOSFETS, etc.).
• Due to the fast switching semiconductors, the switching frequency can be significantly increased.
• The three-point inverter allows for more sophisticated voltage setting options, as each line can be additionally connected to the center potential of the DC link.
• Due to the high switching frequency and the refined positioning options, the ripple of the phase currents and thus also the losses in the induction machine can be drastically reduced. Optionally, the use of a filter can be dispensed with.
• If a filter to decouple the three-point inverter from the induction machine is still required, the filter can be made smaller, lighter and more cost-effective due to the high switching frequency and the refined positioning possibilities.
• Due to the high switching frequency, the maximum permissible supply frequency can be increased and an induction machine with a pole pair number greater than one can be used.

Inzwischen hat der Dreipunkt-Wechselrichter auch im Niederspannungsbereich Einzug gehalten. In US 55 17 401 wird der Dreipunktwechselrichter mit IGBT's oder FET's für ein batteriebetriebenes Fahrzeug verwendet. Auch in DE 196 36 784 A1 wird der Dreipunkt-Wechselrichter im Niederspannungsbereich mit IGBT's eingesetzt und die Eignung für hohe Drehzahlen erwähnt. Trotz der erreichbaren hohen Schaltfrequenzen kann aber auch beim Dreipunkt-Wechselrichter bei Hochgeschwindigkeitsantrieben in der Regel nicht auf ein entsprechendes Ausgangsfilter (7) verzichtet werden. Derartige Filtermittel werden beispielsweise in [2] oder in ”Tadros; Junge, Salama: Design Aspects of High Power PWM-Inverters with IGBT, EPE-Konferenz, 1991, Bd. 2. S. 83–88” beschrieben.In the meantime, the three-phase inverter has also made inroads in the low-voltage sector. In US 55 17 401 the three-state inverter is used with IGBT's or FET's for a battery-powered vehicle. Also in DE 196 36 784 A1 The three-phase inverter is used in the low voltage range with IGBT's and mentions the suitability for high speeds. Despite the achievable high switching frequencies but also in the three-point inverter in high-speed drives usually not on a corresponding output filter ( 7 ) are waived. Such filter media are described, for example, in [2] or in "Tadros; Boy, Salama: Design Aspects of High Power PWM Inverters with IGBT, EPE Conference, 1991, Vol. 2. pp. 83-88 ".

Es bietet sich an, dass das zur Stromglättung erforderliche Filter mit einer LC-Kombination aus Induktivitäten (11) und Kondensatoren (9) realisiert wird (vgl. 6). In Hinblick auf eine hohe Unterdrückung der Stromwelligkeit und auf einen kompakten Aufbau kann das Filter mehrstufig aufgebaut sein. Mit den Widerständen (10) kann das Filter gedämpft werden, um ein starkes Überschwingen oder Resonanzerscheinungen zu vermeiden. Der Kondensator (8) ist zur Glättung der Strangströme nicht erforderlich. Unter EMV-Gesichtspunkten kann er helfen, die durch unsymmetrische Störungen hervorgerufenen Störabstrahlungen zu verringern.It is recommended that the filter required for current smoothing be provided with an LC combination of inductors ( 11 ) and capacitors ( 9 ) realized becomes (cf. 6 ). In view of a high suppression of the current ripple and on a compact structure, the filter can be constructed in multiple stages. With the resistors ( 10 ), the filter can be attenuated to avoid a strong overshoot or resonance phenomena. The capacitor ( 8th ) is not required for smoothing the strand currents. From an EMC point of view, it can help to reduce the emission of interference caused by unbalanced interference.

Ebenfalls zur Unterdrückung asymmetrischer Störungen kann eine stromkompensierte Drossel (14) eingesetzt werden. Eine stromkompensierte Drossel besteht aus einem ferromagnetischen Kern, der von Spulen mit gleichem Wicklungssinn umfasst ist. Nullkomponenten in den Strangströmen, die als Wechselanteil wirken, können so unterdrückt werden.Likewise for the suppression of asymmetric disturbances, a current-compensated choke ( 14 ) are used. A current-compensated choke consists of a ferromagnetic core, which is surrounded by coils with the same winding sense. Zero components in the phase currents, which act as an alternating component, can thus be suppressed.

Die Dämpfung des Filters (7) mit den Widerständen (10) führt zu Stromwärmeverlusten. Der Wirkungsgrad der Anordnung kann verbessert werden, indem dem Filterkreis Energie entnommen und regenerativ dem Zwischenkreis des Dreipunkt-Wechselrichters oder dem Netz zugeführt wird. Die Energieentnahme kann durch Transformatoren (15) oder durch ein Netzwerk erfolgen, das an die Anschlüsse der Induktivitäten (11) geschaltet wird.The attenuation of the filter ( 7 ) with the resistors ( 10 ) leads to current heat losses. The efficiency of the arrangement can be improved by drawing energy from the filter circuit and supplying it regeneratively to the link of the three-point inverter or the grid. The energy can be removed by transformers ( 15 ) or through a network connected to the terminals of the inductors ( 11 ) is switched.

Die verlustarme Dämpfung des Filters kann auch aktiv erfolgen, indem den Spannungssollwerten des Dreipunkt-Wechselrichters geeignete Werte überlagert werden. Die für eine Dämpfung des Filters erforderlichen Spannungsverläufe lassen sich mittels eines Stromreglers erreichen, der als Zustandsregler ausgeführt ist [3]. Alternativ kann dem Spannungssollwert einer konventionellen Stromregelung oder Steuerung additiv eine Größe überlagert werden, die aus der Differenz von Pulswechselrichterausgangsstrom und Motorstrom und/oder der Änderungsgeschwindigkeit dieser Differenz abgeleitet wird.The low-loss attenuation of the filter can also be done actively by superposing suitable values on the voltage setpoints of the three-point inverter. The voltage curves required for attenuation of the filter can be achieved by means of a current regulator, which is designed as a state controller [3]. Alternatively, the voltage command value of a conventional current regulation or control can be additively superimposed on a quantity which is derived from the difference between the pulse inverter output current and the motor current and / or the rate of change of this difference.

Die Differenz von Pulswechselrichterausgangsstrom und Motorstrom kann durch eine gleichzeitige Messung beider Größen erfolgen. Alternativ eignet sich die Verwendung eines Beobachters oder eines Modells, mit dem unter Kenntnis der Systemparameter und ausgewählter Messgrößen die restlichen Größen geschätzt werden [3]. In US 5,043,857 werden die Ausgangsströme und Spannungen des Filters gemessen und zur Minimierung der Oberschwingungen verwendet. Eine Dämpfung etwaiger Schwingungen der Filtergrößen wird nicht beschrieben. Unter praktischen Gesichtspunkten ist eine Messung des Filtereingangsstromes vorteilhaft, da so die Leistungshalbleiter effektiv vor Überstrom geschützt werden können. Die nach dem Stand der Technik erforderlichen Messmittel (z. B. die in US 5,043,857 beschriebene Spannungserfassungen) können mit positiven Einfluss auf die Kosten entfallen, wenn ein erfindungsgemäßer Beobachter eingesetzt wird.The difference between the pulse inverter output current and the motor current can be made by a simultaneous measurement of both variables. Alternatively, the use of an observer or a model with which the remaining quantities are estimated with knowledge of the system parameters and selected measured variables is suitable [3]. In US 5,043,857 The output currents and voltages of the filter are measured and used to minimize the harmonics. An attenuation of any vibrations of the filter sizes is not described. From a practical point of view, a measurement of the filter input current is advantageous because it allows the power semiconductors to be effectively protected against overcurrent. The measuring means required according to the state of the art (for example, the in US 5,043,857 Voltage detections described) can have a positive influence on the costs, if an observer according to the invention is used.

Bei den mit dem Dreipunkt-Wechselrichter erreichbaren hohen Schaltfrequenzen ist es sinnvoll, die Induktivitäten (11) mit Ferriten oder Eisenpulverkernen zu realisieren. Diese werden von der Industrie typischerweise nicht als Dreischenkelkerne angeboten, da mit Ferriten in der Regel einphasige Drosseln realisiert werden. In Hinblick auf ein optimales Bauvolumen ist es sinnvoll, die Induktivitäten mit einem symmetrischen Dreischenkelkern zu realisieren. Dadurch kann die Anzahl der magnetischen Rückschlüsse minimiert werden.In the case of the high switching frequencies achievable with the three-point inverter, it makes sense to use the inductances ( 11 ) to realize with ferrites or iron powder cores. These are typically not offered by the industry as three-fluted cores, since ferrites generally produce single-phase chokes. With regard to an optimal construction volume, it makes sense to realize the inductances with a symmetrical three-arm core. As a result, the number of magnetic conclusions can be minimized.

Bei Wechselrichtern, die für die Antriebstechnik eingesetzt werden, werden typischerweise die Ausgangsströme des Wechselrichters gemessen. Durch das Filter können die für die Drehmomentbildung maßgeblichen Strangströme von den gemessenen Strömen abweichen. Für eine einfache Drehmomentregelung ist es deshalb sinnvoll, die Filterausgangsströme zu messen.Inverters used for drive engineering typically measure the output currents of the inverter. Through the filter, the strand currents relevant for the torque formation can deviate from the measured currents. For a simple torque control it therefore makes sense to measure the filter output currents.

Falls nur die Messwerte der Wechselrichterausgangsströme zur Verfügung stehen, kann die Qualität der Stromregelung und der Drehmomentbildung entscheidend verbessert werden, indem der Einfluss des Filters durch ein mathematisches Modell oder ein Beobachter berücksichtigt wird.If only the measured values of the inverter output currents are available, the quality of the current regulation and the torque formation can be decisively improved by taking into account the influence of the filter by a mathematical model or an observer.

Vorteile bietet die Vorrichtung u. a. bei allen Anwendungen, bei denen eine Erwärmung des Rotors problematisch ist. Solche Anwendungen liegen vor, wenn z. B. der Rotor auf einer Welle montiert ist, die im Vakuum oder bei geringen Luft- und Gasdrücken eingesetzt wird. Bei diesen Anwendungen erfolgt eine Kühlung des Rotors praktisch allein durch Wärmestrahlung, da die Kühlung durch Wärmeleitung oder Konvektion zu vernachlässigen ist.Advantages of the device u. a. in all applications where heating the rotor is problematic. Such applications are present when z. B. the rotor is mounted on a shaft which is used in a vacuum or at low air and gas pressures. In these applications, a cooling of the rotor takes place practically solely by heat radiation, since the cooling by heat conduction or convection is negligible.

Eine geringe Erwärmung des Rotors wird ebenfalls für Anwendungen gewünscht, die eine geringe Wärmeausdehnung erfordern. Die Wärmeausdehnung beeinflusst die Qualität von Schleifprozessen oder die von Prozessen zur spanenden Materialbearbeitung, z. B. mittels Fräsen. Es bietet sich an, für die Antriebe dieser Systeme die erfindungsgemäße Vorrichtung zu verwenden.Low heating of the rotor is also desired for applications requiring low thermal expansion. Thermal expansion affects the quality of grinding processes or of machining processes, eg. B. by milling. It makes sense to use the device according to the invention for the drives of these systems.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können den Unteransprüchen und der Zeichnung entnommen werden.Further details of the invention can be taken from the subclaims and the drawing.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und zwar zeigen:In the drawing an embodiment of the invention is shown and show:

1 die Speisung einer schnelllaufenden Drehfeldmaschine nach dem Stand der Technik mit einem Zweipunkt-Wechselrichter mit Blockbetrieb und einer Regelung des Zwischenkreisstroms, 1 the supply of a high-speed rotating field machine according to the prior art with a two-point inverter with block operation and a regulation of the DC link current,

2 die Speisung einer schnelllaufenden Drehfeldmaschine nach dem Stand der Technik mit einem Zweipunkt-Wechselrichter und einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation, 2 the supply of a high-speed rotating field machine according to the prior art with a two-point inverter and a sine-weighted pulse width modulation,

3 einen Dreipunktwechselrichter mit Gleichspannungszwischenkreis und angekoppelter Drehfeldmaschine, 3 a three-phase inverter with DC link and coupled induction machine,

4 die Spannungsstellmöglichkeiten des Zweipunkt-Wechselrichters im Vergleich zum Dreipunkt-Wechselrichter, 4 the voltage setting options of the two-point inverter compared to the three-point inverter,

5 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Dreipunktwechselrichter durch ein Filter von der Drehfeldmaschine entkoppelt ist, 5 A first embodiment of the invention, in which the three-point inverter is decoupled by a filter of the induction machine,

6 eine exemplarische Ausführung des Filters (7), 6 an exemplary embodiment of the filter ( 7 )

7 eine weitere exemplarische Ausführung des Filters (7), 7 another exemplary embodiment of the filter ( 7 )

8 eine weitere exemplarische Ausführung des Filters (7) mit einer stromkompensierter Drossel, 8th another exemplary embodiment of the filter ( 7 ) with a current-compensated choke,

9 eine exemplarische Ausführung des Filters (7) mit Vorrichtung zur regenerativen Dämpfung des Filters, 9 an exemplary embodiment of the filter ( 7 ) with device for regenerative damping of the filter,

10 eine weitere exemplarische Ausführung des Filters (7) mit Vorrichtung zur regenerativen Dämpfung des Filters, 10 another exemplary embodiment of the filter ( 7 ) with device for regenerative damping of the filter,

11 eine weitere exemplarische Ausführung des Filters (7) in einer mehrstufigen Anordnung, 11 another exemplary embodiment of the filter ( 7 ) in a multi-stage arrangement,

12 ein Beispiel zur aktiven Dämpfung über ein Rechenwerk, und 12 an example of active damping via an arithmetic unit, and

13 ein Beispiel zur aktiven Dämpfung über eine Zustandsregelung. 13 an example of active damping via a state control.

1 zeigt eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik, bei dem mit einer Regelung ein Zwischenkreisstrom eingestellt wird. Dieser konstante Zwischenkreisstrom wird mit Hilfe des Zweipunkt-Wechselrichters blockförmig auf die Stränge des Motors geschaltet. Bei dreiphasigen Drehfeldmaschinen beträgt die Blockbreite 120°. Die blockförmigen Strangströme beinhalten Oberschwingungen, die in dem angekoppelten Motor Kupfer- und Eisenverluste in dem Stator und Rotor der Drehfeldmaschine verursachen. 1 shows a device according to the prior art, in which a control circuit, a DC link current is set. This constant DC link current is connected in blocks to the strings of the motor with the aid of the two-position inverter. For three-phase machines the block width is 120 °. The block-shaped phase currents include harmonics which cause copper and iron losses in the stator and rotor of the induction motor in the coupled motor.

2 zeigt eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik, bei der mit einer sinusbewerteten Pulsbreitenmodulation gearbeitet wird. Der Zweipunktwechselrichter wird mit einem Gleichspannungszwischenkreis gespeist. Aufgrund der bei schnelllaufenden Drehfeldmaschinen üblichen geringen Streu- bzw. Ständerinduktivitäten ist es in Hinblick auf geringe Eisen- und Kupferverluste unumgänglich, die Drehfeldmaschine durch ein Filter von dem Wechselrichter zu entkoppeln. 2 shows a device according to the prior art, which is operated with a sinusoidal pulse width modulation. The two-level inverter is supplied with a DC intermediate circuit. Because of the low stray or stator inductances which are usual in high-speed rotating field machines, it is unavoidable with regard to low iron and copper losses to decouple the induction machine from the inverter by means of a filter.

3 zeigt einen Dreipunkt-Wechselrichter, wie er nach dem Stand der Technik in Mittelspannungsanwendungen zum Einsatz kommt. Aufgrund der Klemmung der Halbleiter an das Mittenpotential des Gleichspannungszwischenkreises werden die Halbleiter mit einer maximalen Sperrspannung beaufschlagt, die der halben Zwischenkreisspannung entspricht. Dadurch können trotz vergleichsweise hoher Zwischenkreisspannungen IGBTs eingesetzt werden. Im Niederspannungsbereich können mit dieser Topologie extrem hohe Schaltfrequenzen erreicht werden, die zu den dargestellten Vorteilen für Hochgeschwindigkeitsantriebe führen. 3 shows a three-point inverter, as used in the prior art in medium voltage applications. Due to the clamping of the semiconductors to the middle potential of the DC intermediate circuit, the semiconductors are subjected to a maximum blocking voltage which corresponds to half the intermediate circuit voltage. As a result, IGBTs can be used despite comparatively high DC link voltages. In the low voltage range, this topology enables extremely high switching frequencies to be achieved, leading to the advantages presented for high-speed drives.

4 zeigt die Spannungsstellmöglichkeiten des Zweipunkt-Wechselrichters (4a) im Vergleich zur denen des Dreipunkt-Wechselrichters (4b). Durch die erhöhte Anzahl von stellbaren Elementarzeigern, die durch die Punkte markiert sind, kann die Strangstromwelligkeit der Drehfeldmaschine deutlich reduziert werden. Rechts neben den markierten Punkten ist der entsprechende Schaltzustand angegeben. Dabei bedeutet eine Null eine Kopplung des Stranges mit dem negativen Zwischenkreispotential, eine Eins eine Kopplung mit dem Mittenpotential und eine Zwei eine Kopplung mit dem positiven Zwischenkreispotentials. 4 shows the voltage setting options of the two-point inverter ( 4a ) compared to those of the three-level inverter ( 4b ). Due to the increased number of adjustable elementary pointers, which are marked by the dots, the phase current ripple of the induction machine can be significantly reduced. To the right of the marked points the corresponding switching state is indicated. In this case, a zero means a coupling of the string with the negative DC link potential, a one a coupling with the middle potential and a two a coupling with the positive DC link potential.

5 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Drehfeldmaschine über ein Filter von dem Dreipunktwechselrichter entkoppelt ist. Aufgrund der geringen Spannungsbeanspruchung der Halbleiter können beispielsweise MOSFETs eingesetzt werden, so dass eine extrem hohe Schaltfrequenz möglich wird. Dadurch kann das Filter extrem klein gehalten werden. 5 shows an embodiment of the device according to the invention, in which the induction machine is decoupled via a filter of the three-point inverter. Due to the low voltage stress of the semiconductors, MOSFETs can be used, for example, so that an extremely high switching frequency becomes possible. This allows the filter to be kept extremely small.

6 zeigt eine Ausführung des Filters (7). Für die Funktion sind die Kondensatoren (9) und die Induktivitäten (11) notwendig. Diese Komponenten bilden ein Tiefpassfilter, das die Ströme der Drehfeldmaschine (1) glättet. Die Grenzfrequenz des Filters wird so gewählt, dass sie zwischen der Speisefrequenz der Maschine und der Schaltfrequenz des Dreipunkt-Wechselrichters liegt. Über die optionalen Widerstände (10) kann die Dämpfung des Filters gezielt beeinflusst werden. Über den optionalen Kondensator (8) kann eine Unterdrückung der unsymmetrischen Störungen erreicht werden. 6 shows an embodiment of the filter ( 7 ). For the function, the capacitors ( 9 ) and the inductors ( 11 ) necessary. These components form a low-pass filter which converts the currents of the induction machine ( 1 ) smoothes. The cut-off frequency of the filter is chosen to be between the feed frequency of the machine and the switching frequency of the three-point inverter. About the optional resistors ( 10 ), the attenuation of the filter can be specifically influenced. Via the optional capacitor ( 8th ) Suppression of unbalanced disturbances can be achieved.

7 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der durch zusätzliche Induktivitäten (12) eine Reduzierung der Stromspitzen in den Induktivitäten (11) vorgenommen wird. 7 shows a further embodiment of the filter ( 7 ), in which by additional inductances ( 12 ) a reduction of the current peaks in the inductors ( 11 ) is made.

8 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der eine stromkompensierte Drossel eingesetzt wird. Durch den für alle Stränge gleichen Wicklungssinn wird eine Unterdrückung der unsymmetrischen Störungen erreicht, da diese stromkompensierte Drossel nur für Nullkomponenten eine von Null verschiedene Induktivität ausweist. 8th shows a further embodiment of the filter ( 7 ), in which a current-compensated choke is used. By the same sense of winding for all strands, a suppression of unbalanced interference is achieved because this current-compensated choke identifies only for zero components of a non-zero inductance.

9 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der durch Transformatoren (15) eine Energieentnahme aus dem Filter (7) erfolgt. Die dem Filter (7) entnommene Energie wird über eine Rückspeiseeinrichtung (16) regenerativ dem Zwischenkreis des Pulswechselrichters oder direkt dem einspeisenden Netz zugeführt. Über die Energieentnahme ist eine Beeinflussung der Dämpfung des Filters (7) möglich. 9 shows a further embodiment of the filter ( 7 ), in which by transformers ( 15 ) an energy extraction from the filter ( 7 ) he follows. The filter ( 7 ) removed energy via a regenerative device ( 16 ) regeneratively fed to the DC link of the pulse inverter or directly to the feeding network. About the energy extraction is an influence on the attenuation of the filter ( 7 ) possible.

10 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der eine Energieentnahme aus dem Filter (7) erfolgt. Dazu wird ein Netzwerk (16) an den Anschlüssen der Induktivitäten (11) geschaltet, die an der dem Dreipunkt-Wechselrichter abgewandten Seite liegen. Die dem Filter (7) entnommene Energie wird über eine Rückspeiseeinrichtung (16) regenerativ dem Zwischenkreis des Pulswechselrichters oder direkt dem einspeisenden Netz zugeführt. Über die Energieentnahme ist eine Beeinflussung der Dämpfung des Filters (7) möglich. 10 shows a further embodiment of the filter ( 7 ), in which an energy extraction from the filter ( 7 ) he follows. For this purpose, a network ( 16 ) at the terminals of the inductors ( 11 ), which are located on the side facing away from the three-point inverter. The filter ( 7 ) removed energy via a regenerative device ( 16 ) regeneratively fed to the DC link of the pulse inverter or directly to the feeding network. About the energy extraction is an influence on the attenuation of the filter ( 7 ) possible.

11 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der eine mehrfache LC-Kombination eingesetzt wird. Mit dem mehrstufigen Aufbau kann eine bessere Unterdrückung der schaltfrequenten Anteile erreicht werden oder die Gesamtbaugröße des Filters verkleinert werden. Die Induktivitäten und Kondensatoren der einzelnen Stufen können unterschiedliche Parameter aufweisen, auch wenn sie in der Zeichnung mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet sind. 11 shows a further embodiment of the filter ( 7 ), in which a multiple LC combination is used. With the multi-stage structure, a better suppression of the switching-frequency components can be achieved or the overall size of the filter can be reduced. The inductances and capacitors of the individual stages may have different parameters, even if they are identified in the drawing with the same reference numerals.

12 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, bei der mittels eines Rechenwerkes eine aktive Dämpfung des Filters erreicht wird. Messtechnisch wird die Differenz der Ströme vor und nach dem Filter bestimmt. Aus dieser Größe und gegebenenfalls aus der Änderungsgeschwindigkeit dieser Größe werden über ein Rechenwerk neue Größen berechnet, die den eigentlichen Strangspannungssollwerten überlagert werden. Statt einer messtechnischen Erfassung der Differenzen können sie über eine Beobachterstruktur oder ein Modell geschätzt werden. 12 shows a further embodiment of the invention, in which by means of an arithmetic unit active damping of the filter is achieved. Metrologically, the difference of the currents before and after the filter is determined. From this size and, if appropriate, from the rate of change of this variable, new quantities are calculated via an arithmetic unit, which are superimposed on the actual desired line voltage setpoints. Instead of measuring the differences, they can be estimated using an observer structure or a model.

13 zeigt eine weitere Ausführung des Filters (7), bei der eine aktive Dämpfung des Filters über eine Zustandsregelung der Ströme erreicht wird. Bei der Regelung kann es sich um eine vollständige oder eine unvollständige Zustandsregelung handeln. Die zu regelnden Zustandsgrößen können über einen Beobachter geschätzt werden, der ebenfalls vollständig oder unvollständig ausgeführt werden kann. 13 shows a further embodiment of the filter ( 7 ), in which an active attenuation of the filter is achieved via a state control of the currents. The regulation can be a complete or an incomplete state regulation. The state variables to be controlled can be estimated by an observer, who can also be executed completely or incompletely.

Erklärung der Formelzeichen:Explanation of the formula symbols:

f Mot

Feed frequency of induction machine

f switching

Switching frequency of the inverter

f G

Cutoff frequency of the filter

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: DrehfeldmaschineInduction machine
22: Filter zur Glättung der Ausgangsströme des Zweipunkt-WechselrichtersFilter for smoothing the output currents of the two-point inverter
33: GleichspannungsquelleDC voltage source
44: Vorrichtung zur Einprägung eines konstanten GleichstromsDevice for impressing a constant direct current
55: Ansteuerung für eine sinusbewertete PulsbreitenmodulationControl for a sinusoidal pulse width modulation
66: Ansteuerung für einen Blockbetrieb des AntriebsControl for a block operation of the drive
77: Filter zur Glättung der Ausgangsströme des Dreipunkt-WechselrichtersFilter for smoothing the output currents of the three-point inverter
88th: Kondensator zur Unterdrückung unsymmetrischer StörungenCapacitor for suppression of unbalanced interference
99: Kondensatoren des FiltersCapacitors of the filter
1010: Widerstände zur Beeinflussung der Dämpfung des FiltersResistors to influence the attenuation of the filter
1111: Induktivitäten des FiltersInductors of the filter
1212: Induktivitäten des Filters zur Reduzierung der SpitzenströmeInductors of the filter for reducing the peak currents
1313: Erd- bzw. SchutzleiterpotentialGround or protective conductor potential
1414: Stromkompensierte DrosselCurrent-compensated choke
1515: Transformatoren für EnergieentnahmeTransformers for energy extraction
1616: RückspeiseeinrichtungEnergy recovery unit
1717: Messeinrichtung zur Erfassung der Ströme der DrehfeldmaschineMeasuring device for detecting the currents of the induction machine
1818: Einkopplungsstelle für aktive DämpfungInjection point for active damping
1919: Rechenwerk für aktive DämpfungCalculator for active damping
2020: Rechenwerk für Regelung oder Steuerung des AntriebssystemsCalculator for regulation or control of the drive system
2121: ZustandsgrößenbeobachterState observer
2222: Zustandsreglerstate controller
2323: Messeinrichtung zur Erfassung der Ausgangsströme des Dreipunkt-WechselrichtersMeasuring device for detecting the output currents of the three-point inverter

Literaturliterature

[1] Nabae, A .; Takahashi, I .; Akagi, H .: A New Neutral-Point-Clamped PWM Inverter. IEEE Transaction to Industry Applications, Vol. IA-17, no. 5, 1981.
[2] Huppunen, J .; Pyrhönen, J .: Filtered PWM Inverter Drive for High-Speed Solid-Rotor Induction Motors. IEEE Industry Applications Conference, Conf., Rome, 2000.
[3] Unbehauen, R .: System Theory. 5th Edition Munich / Vienna: Oldenbourg 1990.
[4] DE 198 29 856 A1 : Three-point power converter and method of operation.
[5] EP 0 969 587 A2 Voltage clamp snubbers for three level converter.

Claims

Device for operating a high-speed rotating field machine operated in the low-voltage range ( 1 ) or a low-voltage high-speed drive with induction machine ( 1 ), characterized in that a three-point inverter is used as power electronic actuator, the induction machine ( 1 ) from the three-point inverter through a filter ( 7 ) and the effect of the filter ( 7 ) with an observer ( 21 ) or a model is modeled.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the control of the motor currents or control of the drive takes place by the output currents of the three-point inverter by means of current sensors ( 23 ), the effect of the filter ( 7 ) is simulated with an observer or a model, and the simulated values of the induction machine currents simulated in this way are used for the regulation or control.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the three-point inverter with the required control electronics and the filter ( 7 ) are structurally integrated in a common housing.

Device according to claim 1, characterized in that the filter ( 7 ) from one or a multiple combination of inductors ( 11 ) and capacitors ( 9 ) consists.

Device according to claim 1, characterized in that the capacitors ( 9 ) are arranged in a star connection and the star point of the star connection directly or via a network, the at least one capacitor ( 8th ), with the protective conductor or the ground potential ( 13 ) is connected.

Device according to claim 1, characterized in that the attenuation of the filter ( 7 ) about resistances ( 10 ) being affected.

Device according to claim 1, characterized in that the filter ( 7 ) a current-compensated choke ( 14 ) includes.

Device according to claim 1, characterized in that the attenuation of the filter ( 7 ) is carried out by using transformers ( 15 ) an energy extraction from the resonant circuit ( 9 ) 11 ) is made.

Device according to claim 1, characterized in that the attenuation of the filter ( 7 ) with a network ( 17 ), which at the, the pulse inverter facing away, terminals of the inductors ( 11 ) connected.

Device according to claim 1, characterized in that the attenuation of the filter ( 7 ) takes place actively in which the voltage setpoints of the three-point inverter, which are determined with an arithmetic unit for controlling or controlling the drive system, superimposed suitable variables or additively coupled and these coupled quantities from the difference of the motor current and pulse inverter output current and / or Rate of change of the difference of the motor current and pulse inverter output current are derived.

Apparatus according to claim 10 or 11, characterized in that the determination is active, in which the current control of the drive system is performed with a state controller.

Device according to claim 1, characterized in that the inductances ( 11 ) from the difference of motor current and pulse inverter output current or the determination of the rate of change of the difference of motor current and pulse inverter output current or the estimation of the state variables required for a state controller with an observer or a model.

Use of the device according to one or more of claims 1 to 13, characterized coils consist, which are arranged on a three-arm core.

Use of the device according to one or more of claims 1 to 14, characterized in that the three-point inverter fed rotary field machine ( 1 ) is operated in whole or in part under vacuum or under vacuum-like conditions.

Use of the device according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that the three-point inverter fed rotary field machine ( 1 ) one Spindle for cutting or grinding material processing drives.