EP2909927A2 - Verfahren zum elektrischen verbinden eines umrichters mit einer elektrischen maschine - Google Patents

Verfahren zum elektrischen verbinden eines umrichters mit einer elektrischen maschine

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EP2909927A2
EP2909927A2 EP13802277.7A EP13802277A EP2909927A2 EP 2909927 A2 EP2909927 A2 EP 2909927A2 EP 13802277 A EP13802277 A EP 13802277A EP 2909927 A2 EP2909927 A2 EP 2909927A2
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EP
European Patent Office
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phases
phase
closed
current
machine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13802277.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten STÜTZLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2909927A2 publication Critical patent/EP2909927A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/26—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual polyphase induction motor
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    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/46—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual synchronous motor
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P1/00—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/02—Details of starting control
    • H02P1/029—Restarting, e.g. after power failure

Definitions

  • Closing be switched so that still high indu ⁇ ed voltages are reduced immediately at the terminals to avoid that too high currents are driven by the inverter in the DC link.
  • the invention is based on the consideration that the currents start to flow through the electric machine again as soon as the connection is closed.
  • the corresponding magnetic fields build up again, so that at the moment of closing the connection, energy is absorbed by the electric machine. This may cause the electrical torque of the engine to drop sharply for a brief moment immediately after closing, thus creating a strong mechanical jolt in the electric machine and the moving elements connected to it. This not only leads to a jerk in the moving train but also to material fatigue of the drive train.
  • the invention is based on the further consideration that the actual currents of the phases of the electric machine are zero when connecting the disconnector or switch. Even with a rotor position controlled closing of the contactor, it is therefore only possible to set a single predetermined current phase from the field controller to zero at the closing time. In a three-phase connection, the set currents of the other two phases are not equal to zero. The phase whose nominal current is switching point is zero, can slowly build up the actual current of zero. Target current and actual current coincide at the closing time of the isolating contactor or switch-on, so that this phase can settle in peacefully. In the other two phases, however, there is the situation that fall apart at the switch-on of the target current and the actual current, thereby an undesirable torque shock is effected.
  • At least two phases of the connection are closed at different times.
  • a smooth settling can be initiated, but also for a second phase, a fairly smooth settling can be achieved by the closing time of the second phase is set to an appropriate time.
  • the torque shock can be reduced and the mechanical Kom ⁇ components can be spared.
  • Zeck sheet comprises three phases, as is usual in three-phase current or power. If two of these are initially separated, then a current flow through all phases is prevented in the case of a free, ie ungrounded star point, so that the electrical connection - although not completely separated from the converter - can be considered as separate.
  • Kirchhoffsehe rule which states that the sum of the currents through the phases at free neutral point is zero, it can be arbitrary, whether the first two phases to be connected simultaneously switched or switched at different times, since the connection of a single phase no Current flows be ⁇ acts. It is therefore sufficient if at least one of the phases is switched individually and temporally separated from at least one other.
  • the electric machine is advantageously a drive ⁇ motor of a rail vehicle, the invention is particularly suitable for use in a permanently excited synchronous machine.
  • the invention is not limited to the USAGE ⁇ dung of synchronous machines.
  • the electric machine may also be a generator for generating electricity from mechanical energy.
  • the power converter generates the electrical currents through the phases of the connection expediently from a DC link voltage of a
  • the intermediate circuit voltage may be a DC intermediate circuit voltage, which is converted by the converter into an AC voltage.
  • the invention is also applicable during operation of the electric machine, in which the running machine induces a voltage through the inverter in the input circuit of the inverter, so for example in the intermediate circuit, which is at least 1.5 times the input ⁇ voltage in the inverter is.
  • the connection is opened according to predetermined criteria, for example voltage criteria, whereby the opening of the connection from the converter to the electric machine takes place in at least two phases.
  • predetermined criteria for example voltage criteria, whereby the opening of the connection from the converter to the electric machine takes place in at least two phases.
  • predetermined criteria for example voltage criteria
  • all phases of the electrical connection are open and all phases are individually closed in time.
  • the greatest possible freedom for a good wiring or power supply of the electrical machine can be achieved with operating voltage.
  • the electric machine can each time individually energized each phase.
  • the torque shock can be kept particularly small if at least two phases are closed at a zero crossing of their nominal ⁇ current of these phases.
  • the zero crossing refers to the zero crossing of the target current of the machine elekt ⁇ step in these phases.
  • these two phases are the last two switched-on phases of the electrical connection.
  • a parameter indicating the rotor position of the electrical machine is sensory measured and the rotor position is determined from the measured data.
  • Torque shock it may therefore be advantageous, the first two phases outside a zero crossing of their desired current and a third phase, in particular in a zero crossing ih- close res nominal current.
  • the closing torque can thus be directed to the phase positions of the first two phases to be closed, that the torque shock is very low.
  • the two to ⁇ only closed phases the sum of the two integrals over the amount of the differences between desired current and actual current is minimal.
  • the integral or the two integrals are expediently to be considered from the phase position of the closing up to a predetermined phase point thereafter.
  • the phase point is a point in time which is suitably Zvi ⁇ rule T / 6, and T / 3 after the closing time, where T is the period of a complete oscillation of the target current, so the phase timing is between 60 ° and 120 ° after the
  • Closing time The minimum is ensured according to this embodiment of the invention even with a deviation of up to 20 ⁇ 6 of the arithmetic minimum - same integral limits voruasbond the computational minimum and the real integral sum.
  • the actual current can either be measured directly at the connection or at the phases of the electrical connection or determined by simulation of the interaction between the converter and the electrical machine.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the second phase to be closed is closed by it at that zero crossing immediately following a zero crossing of the first closed phase. This also allows a torque shock to be kept low.
  • a further advantageous embodiment provides that three phases of the connection are closed at directly following zero crossings. This simple to tax-ernde switching algorithm ensures a very low Drehmo ⁇ ment shock in the electrical machine.
  • the invention is also directed to a machine system with an electric machine, a converter for
  • the machine system comprising the present invention a Zuschalter having a separate and individually controllable ZUS chaltelement for at least two of the phases, wherein the control unit is preparatory ⁇ tet, the Zuschaltrion for closing to control the individual phase connection individually.
  • control unit being prepared to control a single, several, or all of the described process details.
  • a preparation can be provided by a corresponding control program of the control unit, whose sequence - for example in conjunction with suitable input signals, such as sensor signals - causes such a control.
  • suitable input signals such as sensor signals - causes such a control.
  • STEU ⁇ erritt electronic elements such as a processor and data storage, which are necessary for running of the control program.
  • the machine system is expediently arranged on a rail vehicle or in a rail vehicle.
  • the electrical ⁇ specific machine is advantageously a drive motor of the rail vehicle and the drive motor inverter a.
  • the switch is expediently a disconnector.
  • the input voltage may be the intermediate circuit voltage, in particular of the rail vehicle.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of one of the inverters from FIG. 1 with one of the traction motors and an intermediate isolating contactor
  • FIG. 4 shows the diagram from FIG. 3 with other closing times
  • FIG. 5 shows an enlarged detail from the middle diagram from FIG. 4 with an indicated integral area between nominal current and actual current.
  • 1 shows a schematic representation of a rail vehicle ⁇ zeugs 2 having a railcar 4 with four driven axles. Each of the axles is driven by an electric machine 6, which are each designed as a synchronous motor and drive the train as traction motors. All traction motors 6 are fed by a traction converter 8. Of the
  • Traction converter 8 includes an input power converter 10, which generates from the mains voltage of a catenary - optionally over several stages - a DC link DC voltage in a DC link 12.
  • inverters 14 Electrically connected to the intermediate circuit 12 are four inverters 14, which in this embodiment are designed as motor inverters in the form of pulse-controlled inverters, although other forms of inverters are also conceivable.
  • the inverters 14 convert the intermediate circuit direct voltage into three-phase AC voltage for the electrical machines to 6, with each of inverters 14 each supplied an electric Ma ⁇ machines. 6 It is also possible that one inverter 14 supplies two or more than two electric machines 6.
  • the supply of the electrical machine 6 with operating voltage is controlled by a control unit 16 which controls the Be ⁇ operation of the traction converter and the electric machines 6. It is also possible that the control unit 16 controls further units of the rail vehicle 2, for example ⁇ instruments of the driver's cab, brakes, air conditioning units and the like.
  • a separation contactor 18 is arranged, which is shown schematically in FIG 2 ⁇ table.
  • Each connect element 24 is equipped with one or more thyristors for fast and time-definitive disconnection and closure of the corresponding phase 20.
  • Measurement parameters are measured by suitable sensors and evaluated by the control unit 16, which opens the
  • Switch 18 controls at critical parameters present.
  • the switch 18 opens in at least two, in particular all three phases or with all its Zuschalt ⁇ elements 24, and the electrical connection between the inverter 14 and the electric machine 6 is separated ⁇ be opened.
  • the electrical connection 22 is closed again by the control unit 16 according to predetermined criteria.
  • the control unit 16 controls the inverter 14 to supply the electric machines 6 by a field-oriented control.
  • the desired currents through the individual Pha ⁇ sen 20, or parameters from which the desired currents can beti ⁇ th known.
  • the control unit 16 determines from the course of the desired currents the zero crossings of the desired currents of the individual phases 20.
  • phase 20c due to this closing of the phase 20c, no current flows through this phase 20c because the other two phases 20a, 20b are still separated and the star point of the electric machine 6 is open, ie not grounded. According to Kirchhoff's rule that the sum of the phase currents is zero, the current begins to flow only when the second phase is closed.
  • the second phase 20 b which is shown in FIG. 3 in the middle diagram, passes through an ascending zero crossing.
  • the closing of the second connection element 24 is controlled by the control unit 16, so that this phase 20b is closed or ver ⁇ prevented.
  • 20c actual current as from the two lower
  • Diagrams from FIG 3 can be seen on the basis of the solid streamlines.
  • the actual current of the second phase 20b follows the desired current very well, and the actual current of the third phase 20c lags the desired current of opposite sign to the phase 20b, so that the sum of the currents is zero.
  • the first phase 20a is still open until time t3, when this phase 20a also passes through zero and the corresponding connection element 24 is closed. From this moment, the currents are distributed through all three Pha ⁇ sen 20, whereby the actual current of the first phase 20a follows the target current very closely.
  • All three phases 20 of the connection 22 are closed in this embodiment at immediately following zero crossings. However, since the closing timing of the first phase to be concluded 20c is less important because of the non-flowing current, it is sufficient if the second and third phase to be concluded 20b are closed when immediately fol ⁇ constricting zero crossings 20a. It is advantageous here when the phases are closed in the order of 20, in which they have immediately consecutive zero ⁇ passages. In the example shown in FIG 3 execution ⁇ example therefore the third stage 20c, the second phase 20b thereafter and the first phase 20a is first closed first, since the zero crossings of the phases 20 - starting from a first to closing phase 20c - in this order on ⁇ follow each other.
  • FIG 4 Another embodiment with other closing times ⁇ th is shown in FIG 4.
  • the closing point of the two ⁇ th phase 20b is selected such that the current through the first two closed phases 20b, 20c just before (at phase 20b) or just after phase 20c in the corresponding zero ⁇ passage he follows.
  • the difference between the target current and the actual current in the first closed phase 20c can be reduced.
  • the difference in the second closed phase 20b is increased.
  • Closing time t3 of the third phase to be closed 20a remains unchanged.
  • FIG. 5 shows a section from the middle phase 20b of the embodiment of FIG 4.
  • the integral between the two currents is shown as a hatched area, the integral is from
  • the sum of the integrals is a measure of the deviation of the electrical torque of the electric machine 6 to the torque during the continuous steady-state operation of the electric machine 6. Accordingly, it is advantageous to calculate the sum of the two integrals over the amount of the differences between the desired values. Electricity and actual electricity is as small as possible. At a minimum, the sum should be smaller than it would be if all three phases 20 were closed together. It is particularly advantageous to choose the closing times so that the sum is minimal.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Umrichters (14) mit einer vom Umrichter (14) gespeisten elektrischen Maschine (6), bei dem eine mehrere Phasen (20a, 20b, 20c) umfassende und getrennte elektrische Verbindung (22) zwischen dem Umrichter (14) und der Maschine (6) geschlossen wird. Um ein Material schonendes Schließen der elektrischen Verbindung zu ereichen, wird vorgeschlagen, dass zumindest zwei Phasen (20a, 20b, 20c) der Verbindung (22) zu verschiedenen Zeitpunkten geschlossen werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Umrichters mit einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Umrichters mit einer vom Umrichter gespeisten elektrischen Maschine, bei dem eine mehrere Phasen umfassende und getrennte elektrische Verbindung zwischen dem Umrichter und der Maschine geschlossen wird.
Bei Hochgeschwindigkeitszügen, die mit einer permanent erregten Synchronmaschine angetrieben werden, besteht das Problem, dass bei hohen Fahrgeschwindigkeiten hohe Spannungen in der Synchronmaschine induziert werden. Die induzierten Spannungen können bis zum 2,5-fachen der eingangsseitig am Umrichter anliegenden Zwischenkreisspannung oder sogar noch höher ansteigen. In ungünstigen Situationen kann dies dazu führen, dass hohe Ströme durch den Umrichter getrieben werden, die diesen beschädigen .
Zum Schutz des Umrichters ist es bekannt, zwischen dem Um¬ richter und dem Fahrmotor ein Trennschütz anzuordnen, durch das der Fahrmotor elektrisch vom Umrichter getrennt werden kann. Nach dem Öffnen des Trennschützes muss dieses wieder geschlossen werden können. Das Schließen muss auch während der Fahrt möglich sein. Hierzu soll der Umrichter beim
Schließen so geschaltet werden, dass immer noch hohe indu¬ zierte Spannungen sofort an den Klemmen abgebaut werden, um zu vermeiden, dass zu hohe Ströme durch den Umrichter in den Zwischenkreis getrieben werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Umrichters mit einer elektrischen Maschine anzugeben, mit dem ein Material schonendes Schließen der elektrischen Verbindung erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß zumindest zwei Phasen der Verbindung zu verschiedenen Zeitpunkten geschlossen werden.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Ströme durch die elektrische Maschine wieder zu fließen beginnen, sobald die Verbindung geschlossen wird. Die entsprechenden magnetischen Felder bauen sich wieder auf, sodass im Moment des Schließens der Verbindung Energie von der elektrischen Maschine aufgenommen wird. Dies kann dazu führen, dass das elektrische Drehmoment der Maschine für einen kurzen Moment unmittelbar nach dem Schließen stark abfällt, sodass ein starker mechanischer Ruck in der elektrischen Maschine und den mit ihr verbundenen beweglichen Elementen erzeugt wird. Dies führt nicht nur zu einem Ruck im fahrenden Zug sondern auch zu Materialermüdungen des Antriebstrangs.
Um einen solchen Ruck möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, die Verbindung bei einem möglichst günstigen Zeit¬ punkt zu schließen. Um einen günstigen Zeitpunkt herauszufin- den, kann eine feldorientierte Regelung für den Umrichter verwendet werden, bei der der „Spannungszeiger" des Motorständers ausgewertet und der Trennschütz zu einer günstigen Zeigerstellung geschlossen wird. Es besteht jedoch auch bei einem optimalen Schließzeitpunkt des Trennschützes bei einer geeigneten Rotorlage das Problem, dass das Drehmoment am Mo¬ tor beim Schließen des Schützes kurzzeitig springt und damit einen Ruck erzeugt. Auch wenn dieser Ruck durch den guten Schließzeitpunkt verringert ist, ist es dennoch wünschens¬ wert, diesen Ruck weiter zu verringern.
Die Erfindung geht von der weiteren Überlegung aus, dass beim Zuschalten des Trennschützes bzw. Zuschalters die Ist-Ströme der Phasen der elektrischen Maschine Null sind. Auch bei einer rotorlagengesteuerten Schließung des Schützes ist es da- her nur möglich, eine einzige vorgegebene Stromphase aus dem Feldregler zum Schließzeitpunkt auf Null zu legen. Bei einer Drehstromverbindung sind die Sollströme der beiden anderen Phasen ungleich Null. Die Phase, deren Sollstrom zum Ein- schaltZeitpunkt Null ist, kann den Ist-Strom von Null langsam aufbauen. Soll-Strom und Ist-Strom fallen zum Schließzeitpunkt des Trennschützes bzw. Zuschalters zusammen, sodass diese Phase ruhig einschwingen kann. Bei den anderen beiden Phasen liegt jedoch die Situation vor, dass zum Einschaltzeitpunkt der Soll-Strom und der Ist-Strom auseinanderfallen, hierdurch wird ein unerwünschter Drehmomentstoß bewirkt.
Gemäß der Erfindung werden zumindest zwei Phasen der Verbin- dung zu verschiedenen Zeitpunkten geschlossen. Hierdurch kann nicht nur für eine Phase ein ruhiges Einschwingen eingeleitet werden, sondern auch für eine zweite Phase ein recht ruhiges Einschwingen erreicht werden, indem der Schließzeitpunkt der zweiten Phasen auf einen geeigneten Zeitpunkt gelegt wird. Der Drehmomentstoß kann vermindert und die mechanischen Kom¬ ponenten können geschont werden.
Vorteilhafterweise werden alle Phasen der elektrischen Verbindung individuell, also zu unterschiedlichen Zeitpunkten, geschaltet. Hierdurch kann eine maximale Flexibilität bei der Wahl der Schließzeitpunkte erreicht werden und der Drehmo¬ mentstoß kann in besonderem Maße verringert werden.
Zeckmäßigerweise umfasst die Verbindung drei Phasen, wie es bei Drehstrom beziehungsweise Kraftstrom üblich ist. Wenn hiervon zwei zunächst getrennt sind, ist bei einem freien, also nicht geerdeten Sternpunkt somit ein Stromfluss durch alle Phasen unterbunden, sodass die elektrische Verbindung - obgleich nicht vollständig vom Umrichter getrennt - als ge- trennt betrachtet werden kann. Durch die Kirchhoffsehe Regel, die besagt, dass die Summe der Ströme durch die Phasen bei freiem Sternpunkt Null ist, kann es beliebig sein, ob die ersten beiden zu verbindenden Phasen gleichzeitig geschaltet oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten geschaltet werden, da die Verbindung einer einzigen Phase keine Stromflüsse be¬ wirkt. Es ist daher ausreichend, wenn zumindest eine der Pha¬ sen einzeln und zeitlich getrennt von zumindest einer anderen geschaltet wird. Die elektrische Maschine ist vorteilhafterweise ein Antriebs¬ motor eines Schienenfahrzeugs, wobei die Erfindung besonders geeignet zur Anwendung bei einer permanent erregten Synchron- maschine ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwen¬ dung von Synchronmaschinen beschränkt. So kann sie auch bei anderen geschalteten Maschinen, beispielsweise geschalteten Reluktanzmaschinen, vorteilhaft Anwendung finden. Die elektrische Maschine kann auch ein Generator sein zur Erzeugung von Strom aus mechanischer Energie. Der Stromrichter erzeugt die elektrischen Ströme durch die Phasen der Verbindung zweckmäßigerweise aus einer Zwischenkreisspannung eines
Schienenfahrzeugs. Die Zwischenkreisspannung kann eine Zwi- schenkreisgleichspannung sein, die vom Umrichter in eine Wechselspannung gewandelt wird.
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung ferner anwendbar im laufenden Betrieb der elektrischen Maschine, bei dem die laufende Maschine eine Spannung durch den Umrichter in den Ein- gangskreis des Umrichters induziert, also beispielsweise in den Zwischenkreis, die zumindest das 1,5-fache der Eingangs¬ spannung in den Umrichter beträgt. Die Verbindung wird nach vorgegebenen Kriterien, beispielsweise Spannungskriterien, geöffnet, wobei die Öffnung der Verbindung vom Umrichter zur elektrischen Maschine in zumindest zwei Phasen erfolgt. Bei Vorliegen vorbestimmter Bedingungen, beispielweise dem Verstreichen einer vorgegebenen Zeitspanne oder dem Vorliegen eines vorbestimmten Zustands im Umrichter und/oder in der elektrischen Maschine wird die Verbindung in der erfindungs- gemäßen Weise wieder geschlossen. Hierdurch wird der Betrieb der elektrischen Maschine weitergeführt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind alle Phasen der elektrischen Verbindung geöffnet und alle Pha- sen werden zeitlich individuell geschlossen. Hierdurch kann eine größtmögliche Freiheit für eine gute Beschaltung bzw. Speisung der elektrischen Maschine mit Betriebsspannung erreicht werden. Insbesondere bei einem nicht freien Sternpunkt der elektrischen Maschine kann jede Phase zeitlich individuell mit Strom beaufschlagt werden.
Der Drehmomentstoß kann besonders klein gehalten werden, wenn zumindest zwei Phasen bei einem Nulldurchgang ihres Soll¬ stroms dieser Phasen geschlossen werden. Der Nulldurchgang bezieht sich auf den Nulldurchgang des Sollstroms der elekt¬ rischen Maschine in diesen Phasen. Vorteilhafterweise sind diese beiden Phasen die beiden letzten zugeschalteten Phasen der elektrischen Verbindung.
Zur Bestimmung des Sollstroms der einzelnen Phasen der elektrischen Maschine ist es notwendig, Kenntnis von der Rotorlage der elektrischen Maschine zu haben. Entsprechend wird ein die Rotorlage der elektrischen Maschine anzeigender Parameter sensorisch gemessen und aus den Messdaten wird die Rotorlage bestimmt. Aus der Rotorlage kann der Sollstrom der einzelnen Phasen bestimmt werden, wobei die Sollströme zweckmäßigerwei¬ se diejenigen Ströme durch die Phasen sind, bei denen kein Drehmomentsprung beim Verbinden der einzelnen Phasen mit dem Umrichter entsteht. Aus der Rotorlage direkt oder aus den Größen der Sollströme können die Nulldurchgänge der Sollströ¬ me der einzelnen Phasen ermittelt werden, also diejenigen Zeitpunkte, zu denen der Strom durch eine Phase Null ist.
Vorteilhaft ist es auch, alle Phasen bei einem Nulldurchgang ihres Sollstroms zu schließen. Bei einem offenen Sternpunkt ist es auch möglich, die ersten beiden Phasen gemeinsam, also zeitgleich, und eine dritte Phase erst danach zu schließen.
Bei einem freien Sternpunkt kann nach der Kirchhoffsehen Regel nur bei zumindest zwei geschlossenen Phasen Strom durch diese Phasen fließen. Es ist daher nicht möglich, die
Schließmomente beider Phasen auf einen Nulldurchgang dieser Phasen zu legen. Zum Verursachen eines möglichst geringen
Drehmomentstoßes kann es daher vorteilhaft sein, die ersten beiden Phasen außerhalb eines Nulldurchgangs ihres Sollstroms und eine dritte Phase insbesondere in einem Nulldurchgang ih- res Sollstroms zu schließen. Der Schließmoment kann hierdurch so auf die Phasenlagen der ersten beiden zu schließenden Phasen gerichtet werden, dass der Drehmomentstoß sehr gering ist .
Weiter ist es besonders vorteilhaft, wenn bei den beiden zu¬ erst geschlossenen Phasen die Summe der beiden Integrale über den Betrag der Differenzen zwischen Sollstrom und Iststrom minimal wird. Das Integral oder die beiden Integrale sind hierbei zweckmäßigerweise von der Phasenlage des Schließens bis zu einem vorgegebenen Phasenpunkt danach zu betrachten. Der Phasenpunkt ist ein Zeitpunkt, der zweckmäßigerweise zwi¬ schen T/6 und T/3 nach dem Schließzeitpunkt liegt, wobei T die Zeitdauer einer vollen Schwingung des Sollstroms ist, der Phasenzeitpunkt liegt also zwischen 60° und 120° nach dem
Schließzeitpunkt. Das Minimum ist gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung auch bei einer Abweichung von bis zu 20 ~6 vom rechnerischen Minimum gewährleistet - gleiche Integralgrenzen beim rechnerischen Minimum und bei der realen Integralsumme voruasgesetzt . Der Ist-Strom kann entweder an der Verbindung beziehungsweise an den Phasen der elektrischen Verbindung direkt gemessen oder durch Simulation der Interaktion von Umrichter und elektrischer Maschine bestimmt werden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die zweite zu schließende Phase bei demjenigen Nulldurchgang von ihr geschlossen wird, der auf einen Nulldurchgang der zuerst geschlossenen Phase unmittelbar folgt. Auch hierdurch kann ein Drehmomentstoß gering gehalten wer- den.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass drei Phasen der Verbindung bei einander unmittelbar folgenden Nulldurchgängen geschlossen werden. Dieser einfache zu steu- ernde Schaltalgorithmus sorgt für einen sehr geringen Drehmo¬ mentstoß in der elektrischen Maschine.
Die Erfindung ist außerdem gerichtet auf ein Maschinensystem mit einer elektrischen Maschine, einem Umrichter zum
Umrichten einer Eingangsspannung in eine mehrere Phasen aufweisende Maschinenspannung und einer Steuereinheit zum Schal¬ ten des Umrichters.
Um ein verschleißarmes Zuschalten der elektrischen Maschine zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass das Maschinensystem erfindungsgemäß einen Zuschalter aufweist, der für zumindest zwei der Phasen ein eigenes und einzeln ansteuerbares Zus- chaltelement aufweist, wobei die Steuereinheit dazu vorberei¬ tet ist, die Zuschaltelemente zum Schließen der einzelnen Phasenverbindung einzeln anzusteuern.
Die im Vorhergehenden beschriebenen Details zum Verfahren sind auch auf das Maschinensystem anwendbar, wobei die Steuereinheit zum Steuern eines einzelnen, mehrerer oder aller beschriebener Verfahrensdetails vorbereitet ist. Eine solche Vorbereitung kann durch ein entsprechendes Steuerprogramm der Steuereinheit vorliegen, dessen Ablauf - beispielsweise in Verbindung mit geeigneten Eingangssignalen, wie Sensorsignalen - eine solche Steuerung bewirkt. Hierzu umfasst die Steu¬ ereinheit zweckmäßigerweise elektronische Elemente, wie einen Prozessor und Datenspeicher, die zum Ablaufen des Steuerprogramms notwendig sind.
Das Maschinensystem ist zweckmäßigerweise ein Schienenfahrzeug oder in einem Schienenfahrzeug angeordnet. Die elektri¬ sche Maschine ist vorteilhafterweise ein Antriebsmotor des Schienenfahrzeugs und der Umrichter ein Motorumrichter. Der Zuschalter ist zweckmäßigerweise ein Trennschütz. Die Eingangsspannung kann die Zwischenkreisspannung sein, insbesondere des Schienenfahrzeugs.
Zum präzisen Zuschalten der Phasen ist es vorteilhaft, wenn die Schaltzeit des Zuschalters präzise definiert ist. Thyris¬ toren weisen präzise Schaltzeiten auf und sind daher besonders geeignete Schaltelemente für den Zuschalter. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei- spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit iso¬ liert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung einge¬ bracht und/oder mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden .
Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Darstellung eines angetriebenen
Schienenfahrzeugs mit zwei Motorumrichtern, die je¬ weils zwei Fahrmotoren versorgen,
FIG 2 ein Schaltbild eines der Umrichter aus FIG 1 mit einem der Fahrmotoren und einem zwischengeschalteten Trennschütz,
FIG 3 drei Diagramme der drei Phasenströme durch die drei
Phasen der elektrischen Verbindung zwischen Umrichter und Fahrmotor mit eingezeichneten Schließzeitpunkten der drei Zuschaltelemente des Trennschüt- zes ,
FIG 4 das Diagramm aus FIG 3 mit anderen Schließzeitpunkten und FIG 5 ein vergrößerter Ausschnitt aus dem mittleren Diagramm aus FIG 4 mit einer eingezeichneten Integralfläche zwischen Soll-Strom und Ist-Strom. FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schienenfahr¬ zeugs 2, das einen Triebwagen 4 mit vier angetriebenen Achsen aufweist. Jede der Achsen wird von einer elektrischen Maschine 6 angetrieben, die jeweils als Synchronmotor ausgeführt sind und als Fahrmotoren den Zug antreiben. Alle Fahrmotoren 6 werden von einem Traktionsumrichter 8 gespeist. Der
Traktionsumrichter 8 umfasst einen Eingangsstromrichter 10, der aus der Netzspannung einer Oberleitung - gegebenenfalls über mehrere Stufen - eine Zwischenkreisgleichspannung in ei- nem Zwischenkreis 12 erzeugt.
Mit dem Zwischenkreis 12 elektrisch verbunden sind vier Umrichter 14, die in diesem Ausführungsbeispiel als Motorumrichter in Form von Pulswechselrichtern ausgeführt sind, wobei jedoch auch andere Formen von Umrichtern denkbar sind. Die Umrichter 14 wandeln die Zwischenkreisgleichspannung in drei Phasen-Wechselspannung für die elektrischen Maschinen 6 um, wobei jeder der Umrichter 14 jeweils eine elektrische Ma¬ schinen 6 versorgt. Es ist auch möglich, dass ein Umrichter 14 zwei oder mehr als zwei elektrische Maschinen 6 versorgt. Die Versorgung der elektrischen Maschine 6 mit Betriebsspannung wird von einer Steuereinheit 16 gesteuert, die den Be¬ trieb des Traktionsumrichters und der elektrischen Maschinen 6 steuert. Es ist auch möglich, dass die Steuereinheit 16 weitere Aggregate des Schienenfahrzeugs 2 steuert, beispiels¬ weise Instrumente des Fahrerstandes, Bremsen, Klimaaggregate und dergleichen mehr.
Zwischen jedem der Umrichter 14 und den elektrischen Maschi- nen 6 ist ein Trennschütz 18 angeordnet, das in FIG 2 schema¬ tisch dargestellt ist. Alternativ ist es möglich, für alle von einem Umrichter 14 versorgte elektrische Maschinen 6 nur ein einziges Trennschütz 18 vorzusehen, sodass ein Trennschütz 18 mehrere gleiche Phasen mehrerer elektrischer Ma- schinen 6 öffnet und schließt. Alle drei Phasen 20a, 20b, 20c der elektrischen Verbindung 22 zwischen Umrichter 14 und der elektrischen Maschine 6 laufen durch das Trennschütz 18, das für jede Phase 20 ein einzelnes Trennelement beziehungsweise Zuschaltelement 24 aufweist. Jedes Zuschaltelement 24 ist mit einem oder mehreren Thyristoren ausgestattet zum schnellen und zeitdefinierten Trennen und Schließen der entsprechenden Phase 20.
Bei einem Betrieb des Schienenfahrzeugs 2 kann es vorkommen, dass der von den elektrischen Maschinen 6 in den Zwischenkreis 12 durch die Umrichter 14 induzierte Stromfluss so hoch ist, dass ein Umrichter 14 droht, Schaden zu nehmen. Der in- duzierte Strom, entsprechende Spannungsgrößen oder andere
Messparameter werden von geeigneten Sensoren gemessen und von der Steuereinheit 16 ausgewertet, die ein Öffnen des
Zuschalters 18 bei vorliegenden kritischen Parametern steuert. Der Zuschalter 18 öffnet in zumindest zwei, insbesondere allen drei Phasen beziehungsweise mit allen seinen Zuschalt¬ elementen 24, und die elektrische Verbindung zwischen dem Umrichter 14 und der elektrischen Maschine 6 ist getrennt be¬ ziehungsweise offen.
Um den Antrieb des Schienenfahrzeugs 2 wieder aufzunehmen wird die elektrische Verbindung 22 durch die Steuereinheit 16 nach vorgegebenen Kriterien wieder geschlossen. Die Steuereinheit 16 steuert den Umrichter 14 zur Versorgung der elektrischen Maschinen 6 durch eine feldorientierte Regelung an. Durch die Steuermethode der feldorientierten Regelung sind der Steuereinheit 16 die Soll-Ströme durch die einzelnen Pha¬ sen 20, bzw. Parameter, aus denen sich die Soll-Ströme ablei¬ ten lassen, bekannt. Die Steuereinheit 16 ermittelt aus dem Verlauf der Soll-Ströme die Nulldurchgänge der Soll-Ströme der einzelnen Phasen 20.
FIG 3 zeigt die Soll-Ströme in Ampere aufgetragen gegen die Zeit in Sekunden. Die Verläufe der Soll-Ströme sind in FIG 3 gestrichelt dargestellt. Das oberste der drei Diagramme zeigt den Soll-Strom durch die Phase 20a, das mittlere Diagramm den Soll-Strom der Phase 20b und das untere Diagramm den Soll- Strom durch die Phase 20c. Zum Zeitpunkt t = 0 sind die Soll- Ströme aller drei Phasen 20 Null, die elektrische Verbindung 22 ist vollständig getrennt, alle Zuschaltelemente 22 sind offen .
Besteht die Gefahr der strominduzierten Beschädigung des Um- richters 14 nicht mehr, beispielsweise weil die im Motor 6 induzierte Spannung die Eingangsspannung des Umrichter 14 nicht mehr wesentlich übersteigt, so steuert die Steuerein¬ heit 16 das Schließen der elektrischen Verbindung 22 durch den Zuschalter 18. Das Schließen der elektrischen Verbindung geschieht in einem in FIG 3 gezeigten ersten Ausführungsbei¬ spiel bei Nulldurchgängen des Sollstroms der einzelnen Phasen 20. Zum Zeitpunkt ti durchläuft der Sollstrom der dritten Phase 20c einen absteigenden Nulldurchgang, sodass der Strom durch die dritte Phase 20c zum Zeitpunkt ti Null ist. Zu die- sem Zeitpunkt wird das Schließen des dritten Zuschaltelements 24 von der Steuereinheit 15 gesteuert. Durch dieses Schließen der Phase 20c fließt jedoch durch diese Phase 20c noch kein Strom, da die anderen beiden Phasen 20a, 20b noch getrennt sind und der Sternpunkt der elektrischen Maschine 6 offen ist, also nicht geerdet ist. Entsprechend der Kirchhoffsehen Regel, dass die Summe der Phasenströme Null ist, beginnt der Strom erst mit dem Schließen der zweiten Phase zu fließen.
Zum Zeitpunkt t2 durchläuft die zweite Phase 20b, die in FIG 3 im mittleren Diagramm dargestellt ist, einen aufsteigenden Nulldurchgang. Zu diesem Zeitpunkt wird von der Steuereinheit 16 das Schließen des zweiten Zuschaltelements 24 gesteuert, sodass auch diese Phase 20b geschlossen beziehungsweise ver¬ bunden ist. Ab dem Zeitpunkt t2 fließt durch die zweite und dritte Phase 20b, 20c Ist-Strom wie aus den beiden unteren
Diagrammen aus FIG 3 anhand der durchgezogenen Stromlinien zu sehen ist. Hierbei folgt der Ist-Strom der zweiten Phase 20b dem Soll-Strom sehr gut und der Ist-Strom der dritten Phase 20c eilt dem Soll-Strom mit entgegengesetztem Vorzeichen zur Phase 20b nach, sodass die Summe der Ströme Null ist.
Die erste Phase 20a ist weiterhin offen bis zum Zeitpunkt t3, zu dem auch diese Phase 20a einen Nulldurchgang durchläuft und das entsprechende Zuschaltelement 24 geschlossen wird. Ab diesem Moment verteilen sich die Ströme durch alle drei Pha¬ sen 20, wobei auch der Ist-Strom der ersten Phase 20a dem Soll-Strom sehr genau folgt.
Bei den auf die Nulldurchgänge gesteuerten Schließzeitpunkten der Zuschaltelemente 24 beziehungsweise der Verbindung 22 ist die Summe der Differenzen der Soll-Ströme zu den Ist-Strömen sehr gering. Die ersten beiden Phasen 20a, 20b, folgen dem Soll-Strom sehr gut. Lediglich bei der dritten Phase weicht der Ist-Strom - erzwungen durch die Summenstromregel - in deutlicher Weise vom Soll-Strom ab. Diese Abweichung ist für einen verbleibenden Drehmomentsprung im elektrischen Drehmoment der elektrischen Maschine 6 verantwortlich, der jedoch insgesamt erheblich geringer ist als bei der zeitgleichen
Verbindung aller drei Phasen 20 durch ein Trennschütz mit gekoppelten Zuschaltelementen. Die mechanische Belastung der Komponenten der elektrischen Maschine 6 und des Antriebsstrangs des Triebwagens 4 beziehungsweise Schienenfahrzeugs 2 ist erheblich geringer.
Alle drei Phasen 20 der Verbindung 22 werden in diesem Ausführungsbeispiel bei einander unmittelbar folgenden Nulldurchgängen geschlossen. Da der Schließzeitpunkt der ersten zu schließenden Phase 20c wegen des nicht fließenden Stroms minderwichtig ist, ist es jedoch ausreichend wenn die zweite und dritte zu schließende Phase 20b, 20a bei unmittelbar fol¬ genden Nulldurchgängen geschlossen werden. Vorteilhaft ist es hierbei wenn die Phasen 20 in der Reihenfolge geschlossen werden, in denen sie unmittelbar aufeinanderfolgende Null¬ durchgänge aufweisen. Bei dem in FIG 3 gezeigten Ausführungs¬ beispiel wird also die dritte Phase 20c zuerst die zweite Phase 20b danach und die erste Phase 20a zuerst geschlossen, da die Nulldurchgänge der Phasen 20 - ausgehend von einer ersten zu schließenden Phase 20c - in dieser Reihenfolge auf¬ einander folgen. An welchen Nulldurchgängen die Phasen 20 dann tatsächlich geschlossen werden, ist nicht so wichtig, es können also auch spätere Nulldurchgänge gewählt werden. Ein etwas größerer Drehmomentsprung tritt allerdings auf, wenn diejenige Phase erst zuletzt geschlossen wird, deren Null¬ durchgang unmittelbar auf den Nulldurchgang der zuerst geschlossenen Phase 20c folgt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit anderen Schließzeitpunk¬ ten ist in FIG 4 dargestellt. Im Unterschied zu dem in FIG 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schließpunkt der zwei¬ ten Phase 20b so gewählt, dass der Strom durch die ersten beiden geschlossenen Phasen 20b, 20c kurz vor (bei Phase 20b) beziehungsweise kurz nach Phase 20c im entsprechenden Null¬ durchgang erfolgt. Hierdurch kann die Differenz zwischen Soll-Strom und Ist-Strom in der ersten geschlossenen Phase 20c verringert werden. Allerdings wird die Differenz in der an zweiter Stelle geschlossenen Phase 20b vergrößert. Der
Schließzeitpunkt t3 der als drittes zu schließenden Phase 20a bleibt unverändert.
Bei dem in FIG 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind also die Schließzeitpunkte der beiden zuerst geschlossenen Phasen 20b, 20c gleich, also t2 = ti. Da der Schließzeitpunkt der ersten zu schließenden Phase 20c im Prinzip gleichgültig ist, kann der Schließzeitpunkt ti auch früher gewählt werden. Das in FIG 4 gewählte Ausführungsbeispiel ermöglicht jedoch einen Zuschalter 18 beziehungsweise einen Trennschütz, das nur zwei Zuschaltelemente aufweist, wobei eines der Zuschaltelemente zwei Phasen gleichzeitig öffnet und schließt. Die Summen der Differenzen zwischen Soll-Strom und Ist-Strom aller Phasen bei dem in FIG 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist größer als die entsprechende Differenz aus dem Ausführungsbeispiel aus
FIG 3. Entsprechend ist der Sprung des Drehmoments der elekt¬ rischen Maschine 6 größer bei dem FIG 4 gezeigten Ausführungsbeispiel. Allerdings ist er insbesondere bei hohen Ge¬ schwindigkeiten immer noch kleiner als bei gleichzeitig ver- bundenen drei Phasen 20.
Ein Maß für die Differenz von Soll-Strom zu Ist-Strom ist in FIG 5 schematisch dargestellt. FIG 5 zeigt einen Ausschnitt aus der mittleren Phase 20b des Ausführungsbeispiels aus FIG 4. Als Maß für die Differenz zwischen Soll-Strom und Ist- Strom ist das Integral zwischen den beiden Strömen als schraffierte Fläche dargestellt, das Integral ist vom
Schließzeitpunkt t2 bis T/4, also 90°, nach dem Schließzeit¬ punkt t2 gewählt. Entsprechend wäre die Differenz zwischen Soll-Strom und Ist-Strom auch bei der ersten geschlossenen Phase 20c zwischen dem Schließzeitpunkt der zweiten zu schließenden Phase t2 und 90 Grad nach diesem Schließpunkt zu integrieren. Zu integrieren ist jeweils der Betrag der Differenz .
Die Summe der Integrale ist ein Maß für die Abweichung des elektrischen Drehmoments der elektrischen Maschine 6 zum Drehmoment während des kontinuierlichen, eingeschwungenen Betriebs der elektrischen Maschine 6. Entsprechend ist es vor¬ teilhaft, die Summe der beiden Integrale über den Betrag der Differenzen zwischen Soll-Strom und Ist-Strom möglichst klein wird. Zumindest sollte die Summe kleiner sein als sie es bei einem gemeinsamen Schließen aller drei Phasen 20 wäre. Besonders vorteilhaft ist es, die Schließzeitpunkte so zu wählen, dass die Summe minimal wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum elektrischen Verbinden eines Umrichters (14) mit einer vom Umrichter (14) gespeisten elektrischen Maschine (6), bei dem eine mehrere Phasen (20a, 20b, 20c) umfassende und getrennte elektrische Verbindung (22) zwischen dem Umrichter (14) und der Maschine (6) geschlossen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Phasen (20a, 20b, 20c) der Verbindung (22) zu verschiedenen Zeitpunkten ge- schlössen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass alle Phasen (20a, 20b, 20c) der elektrischen Verbindung (22) geöffnet sind und alle Phasen (20a, 20b, 20c) zeitlich individuell geschlossen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Phasen (20a, 20b, 20c) bei einem Nulldurchgang des Sollstroms der elektrischen Maschine (6) in diesen Phasen (20a, 20b, 20c) geschlossen werden .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die ersten beiden Phasen (20b, 20c) gemeinsam und eine dritte Phase (20a) danach geschlossen werden .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die ersten beiden Phasen (20b, 20c) außerhalb eines Nulldurchgangs ihres Sollstroms und eine dritte Phase (20a) in einem Nulldurchgang ihres Sollstroms geschlossen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass bei den beiden zuerst geschlos¬ senen Phasen (20b, 20c) die Summe der beiden Integrale über den Betrag der Differenzen zwischen Sollstrom und Iststrom minimal wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite zu schließende Phase (20b) bei demjenigen Nulldurchgang der Phase (20b) geschlos- sen wird, der auf einen Nulldurchgang der zuerst geschlossenen Phase (20c) unmittelbar folgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei Phasen (20a, 20b, 20c) der Verbindung bei einander unmittelbar folgenden Nulldurchgängen geschlossen werden.
9. Maschinensystem mit einer elektrischen Maschine (6), einem Umrichter (14) zum Umrichten einer Eingangspannung in eine mehrere Phasen (20a, 20b, 20c) aufweisende Maschinenspannung und einer Steuereinheit (16) zum Schalten des Umrichters (14) ,
gekennzeichnet durch einen Zuschalter (18), der für zumindest zwei der Phasen (20a, 20b, 20c) ein eigenes und einzeln an- steuerbares Zuschaltelement (24) aufweist, wobei die Steuer¬ einheit (16) dazu vorbereitet ist, die Zuschaltelemente (24) zum Schließen der einzelnen Phasen (20a, 20b, 20c) einzeln anzusteuern .
10. Maschinensystem nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschaltelemente (24) je¬ weils einen Thyristor enthalten.
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