DE102013009036A1

DE102013009036A1 - driving device

Info

Publication number: DE102013009036A1
Application number: DE102013009036.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bünte; Kurt Palm; Stephan Beineke; Jürgen Rühl; Daniel Jotzo; Markus Weissensteiner; Sebastian Walzel; Dr. Wertz Harald
Original assignee: LTI Drives GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2014-12-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für eine Zerkleinerungsvorrichtung welche einen Stern-/Dreieck-umschaltbaren Motor, einen Antriebsstromrichter zur Regelung oder Steuerung einer physikalischen Größe des Motors und eine Steuereinheit umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltvorrichtungen in der Antriebseinheit vorgesehen sind, welche die Stern-/Dreieck-Umschaltung ermöglichen, wobei die Auswahl der Stellung der Schaltvorrichtungen durch die Steuereinheit erfolgt und wobei die Steuereinheit dafür mindestens eine in der Antriebseinheit erfasste Größe berücksichtigt.The invention relates to a drive unit for a comminution device which comprises a star / delta switchable motor, a drive converter for regulating or controlling a physical variable of the motor and a control unit, characterized in that switching devices are provided in the drive unit which the star / Allow triangle switching, the selection of the position of the switching devices by the control unit and the control unit taking into account at least one variable recorded in the drive unit.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für eine Zerkleinerungsvorrichtung wobei die Antriebseinheit einen Antriebsstromrichter und eine Schaltvorrichtung umfasst, wobei die Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von internen Größen der Antriebseinheit umgeschaltet wird. In nebengeordneten Aspekten betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Antriebseinheit.The present invention relates to a drive unit for a crushing device, wherein the drive unit comprises a drive converter and a switching device, wherein the switching device is switched in dependence on internal sizes of the drive unit. In sidelined aspects, the invention relates to a method for operating such a drive unit.

In Anwendungen wie z. B. in einer Zerkleinerungsmaschine für Abfälle, Papier, Holz, Bauschutt o. ä. müssen an den Zerkleinerungswerkzeugen hohe Kräfte oder Drehmomente bereitgestellt werden, sodass durch Schneiden, Quetschen oder Reißen die Zerkleinerung des betreffenden Gutes erfolgen kann. Eine derartige Vorrichtung ist z. B. in der EP 0 419 919 A1 beschrieben.In applications such. B. in a crushing machine for waste, paper, wood, building rubble o. Ä. High forces or torques must be provided to the crushing tools, so that by cutting, crushing or tearing the crushing of the relevant good can be done. Such a device is z. B. in the EP 0 419 919 A1 described.

In aktuellen Konzepten werden dabei hydraulische Lösungen oder Vorrichtungen mit Elektromotoren, meist in Verbindung mit mechanischen Getrieben oder Riemenscheiben zum Betrieb einer oder mehrerer Zerkleinerungswellen mit den zugehörigen Zerkleinerungswerkzeugen eingesetzt. Bei Einsatz von Elektromotoren kommen dabei meist Asynchronmaschinen zum Einsatz, die starr am elektrischen Versorgungsnetz mit Drehzahlen von beispielsweise 1500 Umdrehungen/Minute bei einem 4-poligen Motor betrieben werden und die mittels der mechanischen Getriebe oder der Riemenscheibe reduzierte Drehzahlen an der Zerkleinerungswelle mit entsprechend erhöhtem Drehmoment bereit stellen. Der Leistungsbereich derartiger elektrischer Antriebe liegt dabei üblicherweise im Bereich von 50–500 kW.In current concepts, hydraulic solutions or devices with electric motors, usually in conjunction with mechanical gears or pulleys, are used to operate one or more comminution shafts with the associated comminuting tools. When using electric motors mostly asynchronous machines are used, which are rigidly operated on the electrical supply network with speeds of, for example, 1500 revolutions / minute in a 4-pole motor and reduced by means of mechanical transmission or the pulley speeds on the crushing shaft with a correspondingly increased torque provide. The power range of such electric drives is usually in the range of 50-500 kW.

Die elektrischen Antriebe werden bei dem direkten Betrieb am Versorgungnetz dabei meist überdimensioniert, um im Falle von Laststößen oder auch länger andauernden Überlasten, z. B. durch Störstoffe im Zerkleinerungsgut ein unkontrolliertes „Abkippen” des Asynchronmotors zu vermeiden. Das Bauvolumen steigt und die bereitgestellte elektrische Leistung der Anlage muss entsprechend höher projektiert werden.The electrical drives are usually overdimensioned in the direct operation of the supply network while in the case of load surges or longer-lasting overloads, z. B. by contaminants in the material to be crushed an uncontrolled "tilting" of the induction motor to avoid. The construction volume increases and the provided electrical power of the system must be correspondingly higher projected.

In der DE 103 33 359 B3 wird eine Zerkleinerungsvorrichtung vorgeschlagen, bei der ein hochpoliger Drehstrom-Synchronmotor in Verbindung mit einem Frequenzumrichter eingesetzt wird. Der hochpolige Synchronmotor kann dabei die Notwendigkeit eines Untersetzungsgetriebes reduzieren oder das Getriebe völlig ersetzen. Aufgrund des eingesetzten Frequenzumrichters ist auch ein Betrieb bei veränderbaren Drehzahlen oder veränderbarem Drehmoment im Gegensatz zum Betrieb eines Drehstrommotors am starren Versorgungsnetz möglich. Allerdings sind derartige hochpolige Synchronmotoren im Vergleich mit Asynchronmotoren deutlich teurer und gelten aufgrund der eingesetzten Magnetmaterialien als weniger robust als die im Aufbau einfacheren Asynchronmaschinen.In the DE 103 33 359 B3 For example, a shredding device is proposed in which a high-pole three-phase synchronous motor is used in conjunction with a frequency converter. The multi-pole synchronous motor can reduce the need for a reduction gear or completely replace the gearbox. Due to the frequency converter used, it is also possible to operate with variable speeds or variable torque in contrast to the operation of a three-phase motor on the rigid supply network. However, such high-pole synchronous motors are significantly more expensive in comparison with asynchronous motors and are due to the magnetic materials used less robust than the simpler asynchronous machines in construction.

Werden Drehstrommotoren mittels Frequenzumrichter auch im Bereich unterhalb der Nenndrehzahlen betrieben, so steht bei einem auftretenden Laststoß weiterhin das Nenndrehmoment entsprechend der Gleichung M ~ I zur Verfügung, wenn etwaige feldbildende Stromkomponenten vernachlässigt werden. Eine Anhebung des Drehmoments, z. B. um die zusätzlichen Lastmomente bei einem Laststoß zu kompensieren kann dabei durch die Anhebung des Motorstromes auch über den Nennstrom des Motors hinaus erfolgen. Allerdings muss auch der Frequenzumrichter in der Lage sein, diesen erhöhten Strombedarf über einen evtl. längeren Zeitraum zur Verfügung zu stellen. Dies führt dazu, dass Komponenten des Frequenzumrichters wie z. B. die Leistungshalbleiter für diese größeren Ströme auszulegen sind, was aufgrund der zusätzlich erzeugten thermischen Verluste zusätzliche Mehraufwände in der elektrischen Antriebseinheit verursacht und teilweise zusätzliches Bauvolumen erfordert.If three-phase motors are also operated in the range below the rated speeds by means of frequency converters, the rated torque corresponding to the equation M ~ I is still available in the event of a load impulse if any field-forming current components are neglected. An increase of the torque, z. B. to compensate for the additional load torque in a load shock can also be done by raising the motor current on the rated current of the motor addition. However, the frequency converter must also be able to provide this increased power requirement over a possibly longer period of time. This causes components of the drive such. B. the power semiconductors are designed for these larger currents, which causes additional overhead in the electric drive unit due to the additional thermal losses generated and sometimes requires additional space.

Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung eine Antriebseinheit für die Anwendung einer Zerkleinerungsvorrichtung zu schaffen, welche in einem weiten Drehzahlbereich betrieben werden kann und welche Betriebszustände mit evtl. auftretenden Laststößen oder länger andauernde Überlasten ohne die beschriebenen nachteiligen Mehraufwände in der Auslegung der Antriebseinheit beherrscht. Aus dieser beschriebenen Lösung ergeben sich weitere vorteilhafte Eigenschaften für den Betrieb der Zerkleinerungsvorrichtung, die derzeit nicht oder nur mit zusätzlichem Aufwand realisiert werden können. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.It is therefore an object of the present invention to provide a drive unit for the application of a crushing device, which can be operated in a wide speed range and which operating conditions dominated by possibly occurring load surges or prolonged overloads without the described adverse additional expenses in the design of the drive unit. From this solution described, there are further advantageous properties for the operation of the comminution device, which can not be realized at present or only with additional effort. Further advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb einer Zerkleinerungsvorrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Antriebseinheit beschrieben.Furthermore, a method for operating a crushing device using the drive unit according to the invention is described.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Bei einfachen Antriebsaufgaben, insbesondere bei Anwendungen, die ein geringes Anlaufmoment erfordern, ist es heute nach Stand der Technik üblich, Asynchron-Motoren mit herausgeführten Wicklungen einzusetzen und am starren Versorgungsnetz zu betreiben. Die Wicklungen werden dabei in Stern bzw. zum Dreieck verschaltet, wobei der Motor zum Starten zunächst in Sternschaltung betrieben wird. Nach Überschreitung einer Drehzahlgrenze werden die Wicklungen in der Dreieckschaltung bestromt. Damit sollen insbesondere die Anlaufströme reduziert werden, um eine unnötige Netzbelastung oder das Auslösen von Sicherungseinrichtungen zu vermeiden. Dies ist allerdings mit einem verringerten Anzugsmoment während der Anlaufphase verbunden, wobei für den Betrieb am starren Versorgungsnetz gilt:

(1) P_Stern = 1/3·P_Dreieck
(2) M_Stern = 1/3·M_Dreieck

For simple drive tasks, especially in applications that require a low starting torque, it is customary today according to the prior art to use asynchronous motors with lead-out windings and to operate on the rigid supply network. The windings are connected in star or to the triangle, the motor is initially operated to start in star connection. After exceeding a speed limit, the windings are energized in delta connection. In particular, the starting currents should be reduced in order to avoid unnecessary Network load or triggering of safety devices to avoid. However, this is associated with a reduced tightening torque during the start-up phase, whereby the following applies to operation on the rigid supply network:

(1) P _star = 1/3 · P _triangle
(2) M _star = 1/3 · M _triangle

Dies bedeutet, dass in der Sternschaltung die verfügbare Leistung am Motor auf ein Drittel reduziert ist. Erst nach Umschalten in die Dreieck-Schaltung darf der Motor mit seinem vollen Moment betrieben werden. Eine unmittelbare Regelung des abgegebenen Drehmomentes oder der Drehzahl findet in dieser Betriebsweise nicht statt.This means that in the star connection the available power at the motor is reduced to one third. Only after switching to the delta circuit, the motor may be operated at its full torque. An immediate control of the delivered torque or speed does not take place in this mode.

Daher ist es in vielen Anwendungen inzwischen üblich, Antriebsstromrichter, wie z. B. Frequenzumrichter oder Servoregler einzusetzen, die eine Steuerung oder Regelung einer oder mehrerer physikalischen Größen wie z. B. Drehzahl, Drehmoment oder Motorstrom ermöglichen. Dabei wird unter einem Frequenzumrichter üblicherweise ein Antriebsstromrichter verstanden, der ohne eine Erfassung der Motordrehzahl und insbesondere ohne die Erfassung der Rotorlage des Motors ein elektrisches Drehfeld mit einer variablen Ausgangsfrequenz und mit einer von der Ausgangsfrequenz abhängigen Ausgangsspannung aufgrund einer vorgegebenen Spannungs-/Frequenzkennlinie zum Betrieb des Motors bereitstellt.Therefore, it is now common in many applications, drive converter, such. As frequency converter or servo controller to use, the control or regulation of one or more physical variables such. As speed, torque or motor current allow. In this case, a frequency converter is usually understood to mean a drive converter which, without a detection of the motor rotational speed and in particular without detection of the rotor position of the motor, generates an electrical rotating field with a variable output frequency and with an output voltage dependent on the output frequency due to a predetermined voltage / frequency characteristic for operating the motor Motors provides.

Bei Antriebsaufgaben oder Antrieben, bei denen eine genaue oder dynamische Regelung einer physikalischen Größe des Motors erforderlich ist werden nach Stand der Technik Servoregler eingesetzt, wobei der Motor vom Typ sowohl ein Synchron- als auch ein Asynchronmotor sein kann. Dabei werden meist unter Berücksichtigung von Motormodellen oder deren elektrischen Ersatzschaltbildern weitere elektrische und mechanische Größen, z. B. Phasenströme, Phasenspannung, Drehzahl oder Rotorlage gemessen oder mittels modellbasierter Verfahren ermittelt und geeignete regelungstechnische Verfahren zum optimalen Betrieb des Motors genutzt.In drive tasks or drives in which an accurate or dynamic control of a physical size of the motor is required are used in the prior art servo drive, the motor of the type can be both a synchronous and an asynchronous motor. In this case, usually taking into account motor models or their electrical equivalent circuits further electrical and mechanical parameters, eg. B. phase currents, phase voltage, speed or rotor position measured or determined by means of model-based methods and appropriate control technology used for optimal operation of the engine.

Überraschenderweise ergeben sich jedoch bei einer geeigneten Kombination der leistungsfähigen Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors mittels Frequenzumrichter oder Servoregler mit Grundgedanken einer Stern-/Dreieck-umschaltbaren Topologie im Falle der gattungsgemäßen Antriebseinheit für Zerkleinerungsvorrichtungen wesentliche Vorteile gegenüber den bekannten und zuvor beschriebenen Lösungen.Surprisingly, however, with a suitable combination of powerful methods for operating an electric motor by means of frequency converter or servo controller with basic ideas of a star / delta switchable topology in the case of the generic drive unit for crushing devices significant advantages over the known and previously described solutions.

Dabei wird nachfolgend der Begriff Antriebsstromrichter als übergeordneter Sammelbegriff für intelligente leistungselektronische Produkte zum gesteuerten oder geregelten drehzahlvariablen Betrieb von Drehstrommotoren verstanden, die unter vielfältigen, teilweise auch herstellerspezifischen Begriffen wie z. B. Frequenzumrichter, Servoregler, Servoverstärker, Inverter, Antriebsregler bekannt sind.Here, the term drive converter is understood as a generic term for intelligent power electronic products for controlled or regulated variable-speed operation of three-phase motors, which under varied, sometimes also manufacturer-specific terms such. As frequency converters, servo drives, servo amplifiers, inverters, controllers are known.

Die erfindungsgemäße Antriebseinheit für eine Zerkleinerungsvorrichtung umfasst dabei mindestens einen Stern-/Dreieck-umschaltbaren Motor und einen Antriebsstromrichter zur Regelung oder Steuerung einer physikalischen Größe des mindestens einen Motors und eine Steuereinheit, wobei zusätzliche Schaltvorrichtungen in der Antriebseinheit vorgesehen sind, welche die Stern-/Dreieck-Umschaltung des Motors ermöglichen. Durch geeignete Schaltstellungen der Schaltvorrichtungen ist es somit möglich, den mindestens einen Motor sowohl in der Sternschaltung als auch durch Auswahl von zweiten Schaltstellungen in der Dreieckschaltung zu betreiben.The drive unit for a comminution device according to the invention comprises at least one star / delta-switchable motor and a drive converter for controlling or controlling a physical size of the at least one motor and a control unit, wherein additional switching devices are provided in the drive unit, which the star / triangle -Umschaltung the engine allow. By suitable switching positions of the switching devices, it is thus possible to operate the at least one motor both in the star connection and by selecting second switching positions in the delta connection.

Für die Stern-/Dreieck-Umschaltung, realisiert durch die geeignete Wahl der Schaltstellungen der Schaltvorrichtungen ist erfindungsgemäß eine Steuereinheit vorgesehen, welche für die Auswahl der jeweils geeigneten Schaltstellung mindestens eine in der Antriebseinheit erfasste Größe berücksichtigt.For the star / delta switching, realized by the suitable choice of the switching positions of the switching devices, a control unit is provided according to the invention, which takes into account for the selection of the respectively suitable switching position at least one detected in the drive unit size.

Dazu kann es auch notwendig sein zusätzliche Sensoren in der Antriebseinheit vorzusehen, die beispielsweise Größen wie die an die Motoren abgegebene Wirkleistung oder die Motordrehzahl messen und an die Steuereinheit liefern. Aber auch in Antriebsstromrichtern werden nach Stand der Technik heute mittels geeigneter Sensoren bereits verschiedene physikalische Größen erfasst. So können beispielhaft der Motorphasenstrom, die Motordrehzahl, die Motorphasenspannung, die Zwischenkreisspannung, der Zwischenkreisstrom, die Temperatur der Leistungsbauelemente des Antriebsstromrichters oder die Rotorlage des Motors als Messgröße zur Verfügung stehen. Diese Daten des Antriebsstromrichters können dann auch einfach beispielsweise mittels analoger oder digitaler Übertragung der Steuereinheit zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin können diese Daten auch über Kommunikationsschnittstellen ausgetauscht werden oder die Datenübertragung kann zum Beispiel als Bitstrom als Ergebnis einer Sigma-/Delta-Modulation erfolgen.For this purpose, it may also be necessary to provide additional sensors in the drive unit which measure, for example, quantities such as the active power delivered to the motors or the engine speed and deliver them to the control unit. But also in drive converters are already detected by the prior art today by means of suitable sensors different physical quantities. For example, the motor phase current, the motor speed, the motor phase voltage, the intermediate circuit voltage, the intermediate circuit current, the temperature of the power components of the drive converter or the rotor position of the motor can be available as a measured variable. These data of the drive converter can then also be made available, for example, simply by means of analog or digital transmission of the control unit. Furthermore, these data can also be exchanged via communication interfaces or the data transmission can take place, for example, as a bit stream as a result of sigma / delta modulation.

Eine vorteilhafte Lösung ergibt sich, wenn für die Auswahl der Stellung der Schaltvorrichtungen als erfasste Größe der Motor-Phasenstrom berücksichtigt wird, da diese Größe ein Maß für die aktuelle Auslastung des Antriebsstromrichters ist und für die Berechnung der aktuell aufgebrachten Motorleistung ebenfalls erforderlich ist.An advantageous solution is obtained if the motor phase current is taken into account as the detected variable for the selection of the position of the switching devices, since this variable is a measure of the current load of the drive converter and for the Calculation of the currently applied engine power is also required.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn für die Auswahl der Stellung der Schaltvorrichtungen als erfasste Größe die Drehzahl des Motors verwendet wird.It is also advantageous if the speed of the motor is used as the detected variable for the selection of the position of the switching devices.

Weiterhin kann für die Auswahl der Stellung der Schaltvorrichtungen als erfasste Größe die vom Antriebstromregler ausgegebene Drehfeldfrequenz verwendet werden, die oft näherungsweise mit der Drehzahl des Motors übereinstimmt.Furthermore, for the selection of the position of the switching devices as the detected quantity, the rotary field frequency output by the drive current regulator can be used, which often coincides approximately with the rotational speed of the motor.

Weiterhin kann es sinnvoll sein die erfassten Größen mittels geeigneter Algorithmen zunächst weiter zu verarbeiten und das so entstehende Ergebnis als Grundlage für die Entscheidung zur Auswahl der geeigneten Schaltstellung heranzuziehen. So kann beispielhaft aus der Messung des Zwischenkreisstromes auf die Phasenströme geschlossen werden oder die Differenzierung von gemessenen Messwerten der Rotorlage des Motors liefert die aktuelle Drehzahl.Furthermore, it may be useful to further process the detected variables by means of suitable algorithms and to use the resulting result as a basis for the decision to select the appropriate switching position. For example, it is possible to deduce the phase currents from the measurement of the DC link current, or the differentiation of measured measured values of the rotor position of the motor supplies the current rotational speed.

Ebenfalls ist es bekannt mittels geeigneter Modelle eine indirekte Berechnung von Zustandsgrößen zu ermöglichen, die nicht direkt erfasst werden, aber dennoch für den Betrieb des Motors sinnvoll verfügbar sein müssen. So sind nach Stand der Technik beispielsweise modellbasierte Verfahren bekannt, welche auf Basis von erfassten Größen wie beispielsweise die gemessenen Motorphasenströme und bekannten Motorspannungssollwerten unter Einbeziehung eines geeigneten Motormodelles die Drehzahl eines Asynchronmotors ermitteln.It is also known, by means of suitable models, to enable an indirect calculation of state variables which are not detected directly, but nevertheless have to be expediently available for the operation of the engine. For example, according to the prior art, model-based methods are known which determine the rotational speed of an asynchronous motor on the basis of detected variables such as, for example, the measured motor phase currents and known motor voltage setpoints, including a suitable motor model.

So kann in einer weiteren vorteilhaften Lösung das Antriebssystem auch ohne Drehzahl- oder Rotorlagegeber ausgestattet sein, wenn mittels modellbasierten Verfahren unter Einbeziehung des gemessenen Motor-Phasenstromes die Drehzahl des Motors indirekt berechnet wird. Damit kann der Verdrahtungsaufwand in der Antriebseinheit reduziert werden und mögliche Ausfälle aufgrund der teilweise mechanisch empfindlichen Drehzahl- oder Lagegeber werden vermieden.Thus, in a further advantageous solution, the drive system can also be equipped without a rotational speed or rotor position sensor if the rotational speed of the engine is indirectly calculated by means of model-based methods involving the measured motor phase current. Thus, the wiring complexity in the drive unit can be reduced and possible failures due to the partially mechanically sensitive speed or position encoder can be avoided.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Steuereinheit als Bestandteil des Antriebsstromrichters vorgesehen, um beispielsweise einen störsicheren Datenaustausch zwischen Steuereinheit und Antriebsstromrichter zu ermöglichen. Dies kann derart ausgeführt sein, dass die Steuereinheit als eigenständige Baugruppe im Antriebsstromrichter vorgesehen ist oder dass die erforderlichen Ressourcen für die erforderliche Funktionalität der Steuereinheit von den verfügbaren Hardware- und Software-Ressourcen des Antriebsstromrichters bereits teilweise oder vollumfänglich bereitgestellt werden.In a further advantageous embodiment, the control unit is provided as part of the drive converter, for example, to enable interference-free data exchange between the control unit and drive converter. This can be embodied such that the control unit is provided as a separate module in the drive converter or that the required resources for the required functionality of the control unit are already partially or fully provided by the available hardware and software resources of the drive converter.

In einer ersten Betriebsart wird aufgrund der eingestellten Stellung der Schaltvorrichtungen der Motor in der Dreieck-Schaltung betrieben. Weist der eingesetzte, mindestens eine in Stern-/Dreieck-umschaltbare Motor eine Nennspannung in Dreieckschaltung auf, die in etwa der Versorgungsspannung der Antriebseinheit entspricht, so wird in dieser vorteilhaften Ausführung sichergestellt, dass der Motor auch in der ersten Betriebsart bei Nenndrehzahl sein Nenn-Moment bzw. die Nenn-Leistung abgeben kann.In a first mode, the motor is operated in the delta circuit due to the set position of the switching devices. If the applied motor, at least one star / delta-switchable motor, has a nominal voltage in a delta connection, which corresponds approximately to the supply voltage of the drive unit, then in this advantageous embodiment it is ensured that the motor also has its rated value in the first operating mode at rated speed. Moment or the rated power can deliver.

Bei Auftreten einer Überlast in der Zerkleinerungsvorrichtung kann der Antriebsstromrichter entweder für eine gewisse Zeitdauer einen erhöhten Motorstrom bereitstellen oder falls dies beispielsweise aufgrund der Gefahr einer thermischen Überlastung der Komponenten des Antriebsstromrichters nicht möglich ist wird die Drehzahl des Motors absinken. In diesem Fall kann die Steuereinheit beispielsweise aufgrund der von dem Antriebsstromrichter erfassten Größe Motorphasenstrom oder dem Verlauf der Motordrehzahl eine zweite Betriebsart durch Auswahl einer zugehörigen Stellung der Schaltvorrichtungen auswählen. In dieser Betriebsart wird der Motor nun in Stern-Schaltung betrieben.If an overload occurs in the comminution device, the drive converter can either provide increased motor current for a certain period of time or if this is not possible, for example because of the risk of thermal overloading of the drive converter components, the speed of the motor will drop. In this case, the control unit may for example select a second operating mode by selecting an associated position of the switching devices on the basis of the motor phase current detected by the drive converter or the course of the engine speed. In this operating mode, the motor is now operated in star connection.

Im Gegensatz zur zuvor dargestellten Lehre bezüglich der Eigenschaften eines mit Stern-/Dreieck-Umschaltung betriebenen Motors am Versorgungsnetz bedeutet die Umschaltung des Motors in Sternschaltung bei kleinen Drehzahlen unterhalb der Nenndrehzahl bei der erfindungsgemäßen Antriebseinheit nicht zwingend eine Verringerung des Drehmomentes gemäß Gleichung (2), sondern aufgrund des Betriebes mit einem Antriebsstromrichter ist es möglich, durch Erhöhung der durch den Antriebsstromrichter bereit gestellten Motorphasenspannung bei gleichem Motorphasenstrom eine Anhebung des abgegebenen Momentes oder der abgegebenen Leistung zu ermöglichen. Die erforderlichen Motorphasenströme zur Erreichung eines vorgegebenen Motordrehmomentes sind in der Sternschaltung um den Faktor 1/√3 kleiner als in der Dreieckschaltung. Entsprechend ist der Spannungsbedarf in der Sternschaltung jedoch um den gleichen Faktor erhöht. Da der Motor zum Umschaltzeitpunkt jedoch mit Drehzahlen deutlich unterhalb des Nennpunktes betrieben wird, ist der Spannungsbedarf in diesem Betriebspunkt deutlich geringer als am Nennpunkt, sodass auch nach dem Umschalten noch ausreichend Spannungsreserve für den Betrieb in der Sternschaltung zur Verfügung steht. Werden die Motorphasenströme vor und nach dem Umschalten auf den gleichen Wert eingestellt, so ergibt sich in Summe eine um den Faktor √3 höhere Leistung in diesem Betriebspunkt. Damit wird auch ohne entsprechende Überdimensionierung der leistungselektronischen Komponenten des Antriebsstromrichters eine entsprechende Anhebung des Momentes in einem Drehzahlbereich unterhalb der Nenndrehzahl ermöglicht.In contrast to the above teaching with respect to the properties of a star / delta reversing motor operated on the supply network switching the motor in star connection at low speeds below the rated speed in the drive unit according to the invention does not necessarily reduce the torque according to equation (2), but due to the operation with a drive converter, it is possible to increase the output torque or output power by increasing the motor phase voltage provided by the drive converter with the same motor phase current. The required motor phase currents to reach a given motor torque are smaller by a factor of 1 / √3 in the star connection than in the delta circuit. Accordingly, the voltage requirement in the star connection is increased by the same factor. Since the motor is operated at the switching time but with speeds significantly below the nominal point, the voltage requirement in this operating point is significantly lower than at the nominal point, so that even after switching still sufficient power reserve for the operation in the star connection is available. If the motor phase currents are set to the same value before and after switching, the result is a total of √3 higher power at this operating point. This is without a corresponding oversizing of the power electronic components of the drive converter a corresponding increase in the torque in a speed range below the rated speed allows.

Nach Beendigung des Überlast- oder Blockadefalls kann die Drehzahl des Motors durch den Antriebsstromrichter wieder angehoben werden. Da in der Sternschaltung der Motor eine um den Faktor 1/√3 höhere Nennspannung gegenüber einer Beschaltung im Dreieck hat, dieser Spannungswert aber aufgrund der gewählten Versorgungsspannung der Antriebseinheit eventuell nicht mehr bereitgestellt werden kann, kann es erforderlich sein, dass die Steuereinheit auf Basis einer in der Antriebseinheit verfügbaren Größe wie beispielsweise der Motordrehzahl oberhalb einer definierten Drehzahlgrenze mittels der Schaltvorrichtungen in eine andere, vorzugsweise in die erste Betriebsart umzuschalten. Damit wird wieder der Betrieb bei Nenndrehzahl mit Nennleistung ermöglicht.After completion of the overload or blockade, the speed of the motor can be raised by the drive converter again. Since in the star connection the motor has a rated voltage which is higher by a factor of 1 / √3 compared to a wiring in the triangle, this voltage value may no longer be available due to the selected supply voltage of the drive unit in the drive unit available size such as the engine speed above a defined speed limit by means of the switching devices in another, preferably switch to the first mode. This again allows operation at rated speed with rated power.

Vorteilhaft sind die Grenzen, ab denen ein Wechsel der Betriebsarten erfolgen soll oder zulässig ist, in der Antriebseinheit einstellbar.Advantageously, the limits from which a change of the operating modes should take place or is permissible, adjustable in the drive unit.

Auch bei einem Schweranlauf ist das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar. Wird in der Steuereinheit erkannt, dass ein Hochfahren des Motors aufgrund eines erhöhten Lastmomentes nicht oder nur mit geringer Beschleunigung erfolgen kann, so kann durch Auswahl der Stellung der Schaltvorrichtungen der Motor in Sternschaltung mit einer höheren Motorspannung betrieben werden. Mit dem dann verfügbaren höheren Drehmoment kann der Motor weiter beschleunigt werden. Bei Erreichen einer Drehzahlschwelle kann dann in die Betriebsart mit Dreieck-Schaltung gewechselt werden, falls der Motor auch in dieser Betriebsart das erforderliche Lastmoment bereitstellen kann.Even with a heavy starting the inventive method can be used. If it is detected in the control unit that motor startup can not take place due to an increased load torque or only with slight acceleration, then by selecting the position of the switching devices, the motor can be operated in star connection with a higher motor voltage. With the then available higher torque, the engine can be further accelerated. When reaching a speed threshold can then be changed to the operating mode with delta connection, if the engine can provide the required load torque in this mode.

Für die erfindungsgemäße Stern-/Dreieck-Umschaltung können als Schaltvorrichtungen die gemäß Stand der Technik bekannten Leistungsschütze verwendet werden. Anstelle dieser elektromechanischen Schalter können vorteilhaft auch leistungselektronische Schaltvorrichtungen eingesetzt werden. Diese leistungselektronischen Schaltmittel, bekannt zum Beispiel unter dem Begriff „solid-state-relais” „oder solid-state-switch” ermöglichen kürzeste Umschaltzeiten, sodass die Unterbrechung des Leistungsflusses zwischen Antriebsstromrichter und Stern-/Dreieck-umschaltbaren Motor bei dem Umschaltvorgang reduziert werden kann.For the inventive star / delta switching can be used as switching devices known in the art power contactors. Instead of these electromechanical switches can also be used advantageously power electronic switching devices. These power electronic switching means, known for example by the term "solid-state-relay" or "solid-state-switch" enable shortest switching times, so that the interruption of the power flow between drive converter and star / delta-switchable motor can be reduced in the switching operation ,

Bei Einsatz von Leistungsschützen erlischt der Stromfluss in der Motorzuleitung nach dem Öffnen der Kontakte eines Schalters der Schaltvorrichtung aufgrund der induktiven Last in der Regel erst nach einem Nulldurchgang des fließenden Wechselstromes. Erst nach dem Erlöschen des Lichtbogens kann der alternative Schalter der Schaltvorrichtung geschlossen werden.When using contactors, the current flow in the motor supply line after opening the contacts of a switch of the switching device usually expires only after a zero crossing of the flowing alternating current due to the inductive load. Only after the extinction of the arc, the alternative switch of the switching device can be closed.

Eine besonders vorteilhafte Lösung zur Reduzierung der Umschaltzeiten zwischen Stern- und Dreieck-Schaltung ergibt sich, wenn die Steuereinheit beim Wechsel der Stellung der Schaltvorrichtung eine typische Funktionalität des Antriebsstromrichters nutzt. Dazu wird durch die Steuereinheit initiiert, dass der Antriebsstromrichter in einem den Schaltvorgang überlappenden Zeitfenster seine Endstufe, welche zur Energieversorgung des Motors dient, sperrt. Im Falle einer nach Stand der Technik bekannten Endstufe eines Spannungskreis-Antriebsstromrichters führt dies dazu, dass der Stromfluss innerhalb von wenigen hundert Mikrosekunden abgebaut ist. Damit werden minimale Umschaltzeiten im Millisekundenbereich ermöglicht.A particularly advantageous solution for reducing the switching times between star and delta connection results when the control unit uses a typical functionality of the drive converter when changing the position of the switching device. For this purpose, the control unit initiates that the drive converter blocks its output stage, which serves to supply power to the motor, in a time window overlapping the switching operation. In the case of an amplifier of a voltage circuit drive converter known from the prior art, this leads to the fact that the current flow is reduced within a few hundred microseconds. This enables minimum switching times in the millisecond range.

Eine weitere vorteilhafte Lösung besteht darin, dass in einem, den Schaltvorgang der Schaltvorrichtungen überlappenden Zeitfenster, mittels des Antriebsstromrichters der Motorstrom auf einen Wert nahe Null geregelt wird. Auch in dieser Lösung können die Umschaltzeiten entsprechend kurz eingestellt werden.A further advantageous solution consists in that, in a time window overlapping the switching operation of the switching devices, the motor current is regulated to a value close to zero by means of the drive converter. Also in this solution, the switching times can be set correspondingly short.

Bei der Umschaltung kann das Abklingen des Stromes durch im Wechselrichter vorhandene Stromsensoren überwacht werden.During the switchover, the decay of the current can be monitored by current sensors present in the inverter.

Für die Regelung oder Steuerung des Antriebsstromrichters kommen Algorithmen zum Einsatz, die oft mit Raumzeigergrößen arbeiten. Die drei Stranggrößen von z. B. Strömen und Spannungen werden als komplexe Raumzeiger beschrieben. Bei den Raumzeigergrößen tritt beim Wechsel des Betriebszustandes (Stern/Dreieck) ein Sprung der Phase und der Amplitude auf. Werden beispielsweise die in den Wicklungen induzierten Spannungen berücksichtigt, so ändern sich diese bei konstantem Fluss nicht. Die Raumzeigergrößen hängen aber davon ab, ob diese Spannungen im Stern oder Dreieck verschaltet werden. Der Phasensprung beträgt dabei ein Vielfaches von 30° und die Amplitude ändert sich um den Faktor √3. Erfindungsgemäß werden diese Sprünge in der überlagerten Steuereinrichtung berücksichtigt, sodass die Umschaltung ohne Ausgleichsvorgänge und Einschwingvorgänge stattfinden kann.For controlling or controlling the drive converter algorithms are used, which often work with room pointer sizes. The three strand sizes of z. B. Currents and voltages are described as complex space vectors. When the room pointer sizes change when the operating state (star / delta), a jump of the phase and the amplitude occurs. If, for example, the voltages induced in the windings are taken into account, they do not change at constant flux. However, the room pointer sizes depend on whether these voltages are connected in a star or a delta. The phase jump is a multiple of 30 ° and the amplitude changes by the factor √3. According to the invention, these jumps are taken into account in the superimposed control device, so that the switching can take place without compensation processes and transient processes.

Desweiteren kann diese Steuereinrichtung ebenfalls die Sprünge in den Motormodellparametern berücksichtigen und steuern. Diese Parameter, beispielsweise die Werte für Motorwiderstände und Motorinduktivitäten ändern sich bei der Umschaltung von der Dreieck- in die Sternschaltung um den Faktor 3.Furthermore, this control device can also take into account and control the jumps in the engine model parameters. These parameters, for example the values for motor resistors and motor inductances, change by a factor of 3 when switching from the delta to the star connection.

Da sich auch während des Umschaltzeitvorganges der Rotor des Motors weiterbewegt, ist es weiterhin vorteilhaft, die somit geänderte Phasenlage des Raumzeigers der EMK oder der Motorflussverkettung in dem Antriebsstromrichter zur berücksichtigen. Since the rotor of the motor also continues to move during the switching time operation, it is also advantageous to take into account the thus changed phase position of the space vector of the emf or the motor flux linkage in the drive converter.

Um Umschaltstromspitzen beim Umschaltvorgang zu vermeiden ist es daher vorteilhaft, dass nach dem Umschaltvorgang der Schaltvorrichtungen im Antriebsstromrichter eine Korrektur der für die Berechnung der Ausgangssignale des Antriebsstromrichters erforderlichen Raumzeigergrößen erfolgt, sodass die weitere Ansteuerung des Motors nach dem Schaltvorgang phasensynchron erfolgt.In order to avoid Umschaltstromspitzen the switching operation, it is therefore advantageous that after the switching operation of the switching devices in the drive converter correction of the space required for the calculation of the output signals of the drive converter Raumzeigergrößen takes place, so that the further control of the motor is carried out phase-synchronously after the switching operation.

Weiterhin kann in Ausführungsvarianten der Erfindung ein verlustoptimales Steuerverfahren mit variabler Flussführung eingesetzt werden. Üblicherweise wird der Motor im Grundstellbereich, d. h. bis zur Nenndrehzahl mit einer konstanten Magnetisierung betrieben, was u. a. auch als Betrieb mit konstantem d-Strom oder konstantem Fluss im Grundstellbereich bezeichnet ist.Furthermore, in embodiments of the invention, a loss-optimal control method with variable flux guidance can be used. Usually, the engine is in the base range, d. H. operated up to the rated speed with a constant magnetization, which u. a. Also referred to as operation with constant d-current or constant flow in the base range.

Da sich beim Umschalten auch die wirksamen Motorparameter verändern ist es vorteilhaft ein adaptives Steuerverfahren zur Flussführung zu verwenden, welches auch die veränderten Motorparameter je nach gewählter Schaltstellung der Schaltvorrichtungen berücksichtigt. So kann stets nach Lastsituation und gewählter Schaltstellung der Schaltvorrichtungen mit einer Flussanhebung oder Absenkung erreicht werden, dass der Strombedarf für das geforderte Drehmoment jeweils minimal wird.Since changing the effective motor parameters during switching, it is advantageous to use an adaptive control method for flow control, which also takes into account the changed engine parameters depending on the selected switching position of the switching devices. Thus, it can always be achieved according to the load situation and selected switching position of the switching devices with a flux increase or reduction that the power requirement for the required torque is in each case minimal.

Aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen bei Einsatz von typischen Zerkleinerungsvorrichtungen ist aufgrund der erhöhten Robustheit und des reduzierten Hardwareaufwandes ein drehzahl- oder rotorlage-sensorloser Betrieb gewünscht, sodass weiterhin vorteilhaft ist, die Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebseinheit mit modellbasierten Verfahren zur indirekten Drehzahl- oder Rotorlageerfassung weiterzubilden.Due to the harsh environmental conditions when using typical crushing devices, a speed or rotor position sensorless operation is desired due to the increased robustness and the reduced hardware complexity, so that it is also advantageous to further develop the method for operating the drive unit according to the invention with model-based methods for indirect speed or rotor position detection ,

Alle vorgenannten Steuer- und Regelverfahren sind sowohl mit Asychronmotoren, Permanent-Magnet-Synchronmotoren, Reluktanzmotoren und deren Mischtypen (z. B. PM Synchronmotoren mit vergrabenen Magneten) einsetzbar.All of the aforementioned control methods can be used both with asynchronous motors, permanent magnet synchronous motors, reluctance motors and their mixed types (eg PM synchronous motors with buried magnets).

Lassen sich die Schaltvorrichtungen zur Stern-/Dreieck-Schaltung unabhängig voneinander ansteuern, so ist es möglich Schaltstellungen anzuwählen, bei denen der angeschlossene Motor vom Antriebsstromrichter getrennt ist. Sind als Schaltvorrichtungen die nach Stand der Technik bekannten Leistungsschütze vorgesehen, so lässt sich durch Hinzufügen eines weiteren Leistungsschützes eine zweikanalige redundante Abschaltung im Leistungspfad realisieren, sodass im Hinblick auf die Anforderungen der funktionalen Sicherheit redundant die Drehmomentfreiheit gewährleistet sein kann. Dieser Zustand wird häufig als „sicherer Halt” oder „safe Torque-off” bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel werden also die Schaltvorrichtungen zur Stern-/Dreieck-Umschaltung Bestandteil einer Anordnung, welche im Sinne der funktionalen Sicherheit das sichere Abschalten des Stern-/Dreieck-umschaltbaren Motors ermöglicht.If the switching devices for the star / delta circuit can be controlled independently of one another, then it is possible to select switching positions in which the connected motor is disconnected from the drive converter. Are provided as switching devices known in the art power contactors, it can be realized by adding another contactor a dual-channel redundant shutdown in the power path, so redundant in terms of the requirements of functional safety torque freedom can be guaranteed. This condition is often referred to as a "safe stop" or "safe torque-off". In this embodiment, therefore, the switching devices for star / delta switching are part of an arrangement which enables safe shutdown of the star / delta-switchable motor in terms of functional safety.

Diese zusätzliche Schaltvorrichtung kann dabei an verschiedenen Stellen vorgesehen werden. Wird die Schaltvorrichtung zwischen Dreieckabgriff und Motor angeordnet, so ergibt sich eine weitere vorteilhafte Lösung, da in diesem Fall die Schaltvorrichtung bei Betrieb in der Dreieckschaltung einen geringeren Laststrom führen muss, als bei Anordnung zwischen Ausgang des Antriebsstromrichters und Dreieckabgriff.This additional switching device can be provided at different locations. If the switching device is arranged between the triangular tap and the motor, the result is a further advantageous solution since, in this case, the switching device must operate at a lower load current when operating in the delta connection than when arranged between the output of the drive converter and the triangular tap.

In der Regel ist ein dauerhafter Betrieb des Motors mit dem Dreiecknennstrom in der Sternschaltung aus thermischen Gründen nicht zulässig. Die thermischen Zeitkonstanten eines Elektromotors sind aber typischerweise deutlich größer als die thermischen Zeitkonstanten des Antriebsstromrichters, sodass diese Betriebsart insbesondere bei Applikationen wie Zerkleinerungsanlagen, bei denen eine im Minutenbereich anstehende Drehmomentüberlast bereitzustellen ist, ideal genutzt werden kann.As a rule, a permanent operation of the motor with the triangular rated current in the star connection is not permitted for thermal reasons. However, the thermal time constants of an electric motor are typically significantly greater than the thermal time constants of the drive converter, so that this mode of operation can be used ideally, in particular in applications such as comminution plants where a torque overload in the range of minutes is to be provided.

Zeichnungendrawings

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung. 1 shows an embodiment of an inventive arrangement.

2 und 3 zeigen weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung. 2 and 3 show further advantageous embodiments of the inventive arrangement.

4 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf verschiedener Größen und Zustände beim Betrieb der erfindungsgemäßen Antriebseinheit. 4 shows an exemplary time course of different sizes and states during operation of the drive unit according to the invention.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 dargestellt, welche einen Motor 2, einen Antriebsstromrichter 3 und eine Steuereinheit 9 umfasst. Zusätzlich sind Schaltelemente 4.1 und 4.2 vorgesehen, welche mit der Steuereinheit 9 verbunden sind und deren Schaltstellungen durch die Steuereinheit 9 steuerbar sind. Die Wicklungen des Motors 2 sind dahingehend herausgeführt und kontaktierbar, sodass mit den Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 eine Stern-/Dreieck-Umschaltung vorgenommen werden kann. Der Antriebsstromrichter 3 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Gleichrichter 6, der die anliegende Versorgungswechselspannung gleichrichtet und in einem Zwischenkreis 7, der einen Glättungskondensator 14 aufweist als Gleichspannung bereitstellt, sodass eine nachfolgende Wechselrichtereinheit 8 aus dieser Gleichspannung eine Wechselspannung zur Realisierung eines Drehfeldes für den angeschlossenen Motor 2 erzeugt. In weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsbeispielen können auch mehrere Motoren an einen Antriebsstromrichter angeschlossen sein oder mehrere Motoren, jeweils in Kombination mit einem zugehörigen Antriebsstromrichter in der Antriebseinheit vorgesehen sein.In 1 is a drive unit according to the invention 1 shown, which is a motor 2 , a drive converter 3 and a control unit 9 includes. In addition, switching elements 4.1 and 4.2 provided, which with the control unit 9 are connected and their switching positions by the control unit 9 are controllable. The windings of the motor 2 are led out and contacted, so that with the switching devices 4.1 and 4.2 a star / delta switch can be made. The drive converter 3 consists in this embodiment of a rectifier 6 , which rectifies the applied AC supply voltage and in a DC link 7 , the one smoothing capacitor 14 has as DC voltage provides, so that a subsequent inverter unit 8th from this DC voltage an AC voltage to realize a rotating field for the connected motor 2 generated. In further exemplary embodiments, which are not shown here, a plurality of motors can also be connected to a drive converter or several motors can be provided in each case in combination with an associated drive converter in the drive unit.

Die Steuereinheit 9 erfasst in diesem Ausführungsbeispiel mehrere Größen der Antriebseinheit 3. So werden mittels einer Funktionseinheit Messwerterfassung 11 über die Signalleitungen 5.1–5.4 die Zwischenkreisspannung 5.1, die Wechselrichtertemperatur 5.2, der Phasenstrom 5.3 und die abgegebene Motorleistung 5.4 erfasst. Dabei wird in diesem Beispiel mittels der Verbindungen 5.1–5.3 auf interne Größen des Antriebsstromrichters zugegriffen, während die Verbindung 5.4 Größen aus einer separaten Einheit in der Antriebseinheit erfasst. Alternativ können diese Verbindungsleitungen auch als Kommunikationsschnittstellen realisiert sein oder die Datenübertragung kann in digitaler Form, zum Beispiel als Bitstrom als Ergebnis einer Sigma-/Delta-Modulation erfolgen. Die Aufbereitung der Größen erfolgt mittels einer Signalauswerteeinheit 12, welche die erfassten Größen weiterverarbeitet und/oder über modellbasierte Verfahren eventuell weitere interne Größen der Antriebseinheit ermittelt. Dazu können eventuell auch Sollwerte oder weitere Daten wie gespeicherte physikalische Größen und Parameter aus einer Steuereinheit 10 mit berücksichtigt werden. Als Ergebnis der Signalauswertung werden über die Ansteuereinheit 13 die Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 angesteuert, sodass sich die jeweils für den Betrieb des Motors geeigneten Schaltstellungen ergeben.The control unit 9 detected in this embodiment, several sizes of the drive unit 3 , Thus, by means of a functional unit measured value acquisition 11 over the signal lines 5.1 - 5.4 the DC link voltage 5.1 , the inverter temperature 5.2 , the live stream 5.3 and the engine output power 5.4 detected. In this case, in this example by means of the compounds 5.1 - 5.3 internal sizes of the drive converter accessed while the connection 5.4 Quantities detected from a separate unit in the drive unit. Alternatively, these connection lines can also be realized as communication interfaces or the data transmission can take place in digital form, for example as bitstream as a result of sigma / delta modulation. The preparation of the sizes is carried out by means of a signal evaluation unit 12 which further processes the acquired variables and / or possibly determines further internal variables of the drive unit via model-based methods. This may also include setpoints or other data such as stored physical quantities and parameters from a control unit 10 to be taken into account. As a result of the signal evaluation are via the drive unit 13 the switching devices 4.1 and 4.2 controlled, so that each result for the operation of the engine suitable switching positions.

Die Versorgung der Antriebseinheit 1 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über eine 3-phasige Versorgungsleitung 20, wobei als zusätzliche Schutzelemente eine Netzsicherung 21, ein Netztrennschalter 22 und eine Netzdrossel 23 in der Zuleitung vorgesehen sind. Alternativ können diese Komponenten auch in die Antriebseinheit integriert werden, um einen möglichst kompakten und einfach anzuschließenden Aufbau zu ermöglichen. Ebenfalls kann die Anzahl der versorgenden Phasen variieren. Für kleine Leistungen kommen insbesondere auch einphasige Lösungen in Frage, während für große Leistungen eine 12-Puls-Gleichrichtung vorteilhaft ist, die mit 6 Phasen versorgt werden muss.The supply of the drive unit 1 takes place in this embodiment via a 3-phase supply line 20 , wherein as additional protection elements a network fuse 21 , a power disconnector 22 and a mains choke 23 are provided in the supply line. Alternatively, these components can also be integrated into the drive unit in order to allow the most compact and easy to connect structure. Also, the number of supplying phases may vary. In particular, single-phase solutions are also suitable for small powers, while for large powers a 12-pulse rectification is advantageous, which must be supplied with 6 phases.

In der 2 zeigt eine weitere beispielhafte Anordnung, in der weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Merkmale ergänzt wurden. So ist die Steuereinheit 9 nun von dem Antriebsstromrichter 3 umfasst, um einen einfacheren und störsicheren Datenaustausch zu ermöglichen. Zusätzlich ist eine weitere Schaltvorrichtung 4.3 vorgesehen mittels derer der Motor 2 vom Ausgang des Antriebsstromrichters getrennt werden kann. Sind die Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 einzeln, das heißt unabhängig voneinander ansteuerbar, so kann erreicht werden, dass die in 2 gezeigte Konstellation der Schaltkontakte, also alle Kontakte offen einstellbar ist. In diesem Beispiel ist ein redundantes, einfehlersicheres Stillsetzen des Motors unter Einbeziehung der Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 möglich. Selbst wenn im Fehlerfall die Kontakte der Schaltvorrichtungen 4.3 geschlossen sein sollten, so verhindern die offenen Kontakte der Schaltvorrichtungen 4.1 und 4.2 einen feld- und/oder momentbildenden Stromfluss im Motor 2.In the 2 shows a further exemplary arrangement, were supplemented in the further advantageous features of the invention. This is the control unit 9 now from the drive converter 3 for easier and trouble-free data exchange. In addition, another switching device 4.3 provided by means of which the engine 2 can be separated from the output of the drive converter. Are the switching devices 4.1 and 4.2 individually, that is independently controllable, it can be achieved that the in 2 shown constellation of the switch contacts, so all contacts is open adjustable. In this example, a redundant, failsafe shutdown of the engine including the switching devices 4.1 and 4.2 possible. Even if in case of failure, the contacts of the switching devices 4.3 should be closed so prevent the open contacts of the switching devices 4.1 and 4.2 a field and / or torque-forming current flow in the engine 2 ,

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt 3. Im Gegensatz zur 2 ist hier die zusätzliche Schaltvorrichtung zur Trennung von Antriebsstromrichter 3 und Motor 2 zwischen dem Dreieckabgriff und dem Motor 2 vorgesehen. Auch in diesem Beispiel ist ein sicheres Stillsetzen des Antriebsmotors möglich, da stets von 2 Schaltelementen die jeweiligen Kontakte geschlossen sein müssen, um einen feld- oder drehmomentbildenden Stromfluss zu ermöglichen. Bei dieser Lösung ist bei Dreieckschaltung der die Kontakte des Schaltelements 4.3 belastende Strom um den Faktor 1/√3 kleiner als der Ausgangsstrom des Antriebsstromrichters.Another embodiment shows 3 , In contrast to 2 Here is the additional switching device for the separation of drive converter 3 and engine 2 between the triangle tap and the motor 2 intended. Also in this example, a safe shutdown of the drive motor is possible because always of 2 switching elements, the respective contacts must be closed to allow a field or torque-forming current flow. In this solution is the delta connection of the contacts of the switching element 4.3 load current by a factor of 1 / √3 less than the output current of the drive converter.

In 4 sind typische qualitative Verläufe von Größen der Antriebseinheit aufgezeigt, wobei in einem Zeitfenster zwischen t1 und t4 eine Überlastsituation angenommen ist und wobei durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens diese Überlastsituation entsprechend beherrscht werden kann.In 4 typical qualitative courses of sizes of the drive unit are shown, wherein in a time window between t1 and t4 an overload situation is assumed and wherein by application of the method according to the invention this overload situation can be controlled accordingly.

Dabei bedeuten die Signalverläufe:

30: die gewählte Schaltstellung der Schaltvorrichtungen mit B1 = Dreieckschaltung und B2 = Sternschaltung
31: die Drehzahl n des Motors 2,
32: die Ausgangsspannung Ua des Antriebsstromrichters 3
33: das abgegebene Antriebsmoment M des Motors 2
34: den Ausgangsstrom Ia des Antriebsstromrichters 3

The signal curves mean:

30 : the selected switching position of the switching devices with B1 = delta connection and B2 = star connection
31 : the speed n of the motor 2 .
32 : the output voltage Ua of the drive converter 3
33 : the output drive torque M of the engine 2
34 : the output current Ia of the drive converter 3

Zum Zeitpunkt t1 wird aufgrund der gewählten Schaltstellungen der Schaltvorrichtungen der Motor in Dreieck-Schaltung in der ersten Betriebsart, entsprechend dem Zustand B1 betrieben. Dabei wird der Motor mit der für die Dreieckschaltung zugeordneten Nenndrehzahl und Nennspannung Unenn_Δ betrieben. Der Ausgangsstrom Ia ist kleiner als der maximale Ausgangsstrom des Antriebsstromrichters und das damit realisierte Antriebsmoment ist kleiner als das unter Nennstrom verfügbare Nennmoment Mnenn1.At time t1, due to the selected switching positions of the switching devices, the motor is operated in delta connection in the first mode, corresponding to state B1. In this case, the motor is operated with the rated speed and nominal voltage Unenn_Δ assigned to the delta connection. The output current Ia is smaller than the maximum output current of the drive converter and the drive torque realized is smaller as the nominal torque available under rated current Mnenn1.

Dem zum Zeitpunkt t1 auftretenden Überlastfall wird durch den Antriebsstromrichter zwar versucht durch eine Anhebung des Ausgangsstromes Ia und des damit erzeugten Antriebsmomentes M entgegenzuwirken. Allerdings reicht das Moment nicht aus, sodass die Drehzahl n des Motors entsprechend absinkt. Zur Begrenzung des Ausgangsstromes Ia muss der Antriebsstromrichter mit Absinken der Drehzahl auch die Ausgangsspannung Ua reduzieren. Zu Zeitpunkt t2 setzt die Steuereinheit unter Berücksichtigung der in der Antriebseinheit erfassten Drehzahl aufgrund der Unterschreitung von nlim die Schaltvorrichtungen in den der Stern-Schaltung entsprechenden Zustand B2. Der für diese Schaltung erforderliche höhere Spannungsbedarf Ua am Ausgang des Antriebsstromrichters wird eingestellt, sodass unter Beibehaltung des vorherigen Ausgangsstromes Ia eine Anhebung des verfügbaren Momentes M um den Faktor √3 erfolgt. Dieses erhöhte Moment reicht aus, den Motor trotz Überlast in der Zeitspanne bis t3 wieder auf eine höhere Drehzahl zu beschleunigen. Diese Drehzahl kann dabei beispielhaft so gewählt sein, dass mit der maximal verfügbaren Ausgangsspannung der Motor an dieser Spannungsgrenze betrieben wird. Aufgrund der nicht mehr erforderlichen Beschleunigungsenergie kann der Motor im Zeitfenster t3 – t4 mit geringerem Ausgangstrom und ausreichendem Antriebsmoment trotz Überlastfall betrieben werden.The case of overload occurring at the time t1 is attempted by the drive converter while trying to counteract by raising the output current Ia and thus generated drive torque M. However, the moment is not enough, so that the speed n of the motor drops accordingly. In order to limit the output current Ia, the drive converter must also reduce the output voltage Ua as the speed decreases. At time t2, in consideration of the rotational speed detected in the drive unit, the control unit sets the switching devices to the star condition corresponding state B2 due to the undershooting of nlim. The required for this circuit higher voltage requirement Ua at the output of the drive converter is set so that, while maintaining the previous output current Ia, an increase of the available torque M by a factor of √3. This increased torque is sufficient to accelerate the engine to a higher speed despite the overload in the time span until t3. This speed can be chosen by way of example so that the motor is operated at this voltage limit with the maximum available output voltage. Due to the no longer required acceleration energy, the motor can be operated in the time window t3 - t4 with a lower output current and sufficient drive torque despite overload.

Nach Wegfall der Überlastsituation reduziert sich das erforderliche Moment und der dafür notwendige Ausgangsstrom Ia sinkt deutlich. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Steuereinheit aufgrund des festgestellten niedrigen Phasenstromes zum Zeitpunkt t5 ein Wechsel der Betriebsart durch Umschalten der Schaltvorrichtungen zur Realisierung der Dreieck-Schaltung vornehmen. Der Motor wird in Sternschaltung mit einer niedrigeren vom Antriebsstromrichter gelieferten Ausgangsspannung betrieben, allerdings mit einem höheren Ausgangsstrom. Das damit entstehende Moment reicht jedoch nun aus, den Motor auf seine Nenndrehzahl der Dreieckschaltung zu beschleunigen. Mit Erreichen dieser Drehzahl zum Zeitpunkt t6 sinkt das erforderliche Moment sowie der erforderliche Ausgangsstrom des Antriebsstromrichters. Die Zerkleinerungsvorrichtung kann nun mit maximalem Durchsatz bei Nenndrehzahl und Nennleistung durch die Antriebseinheit betrieben werden.After elimination of the overload situation, the required torque is reduced and the required output current Ia drops significantly. In this embodiment, due to the detected low phase current at time t5, the control unit will make a change of the mode by switching the switching devices to realize the delta connection. The motor is operated in star connection with a lower output voltage supplied by the drive converter, but with a higher output current. However, the resulting moment is now sufficient to accelerate the engine to its nominal speed of the delta connection. When this speed is reached at time t6, the required torque as well as the required output current of the drive converter decreases. The crushing device can now be operated with maximum throughput at rated speed and rated power by the drive unit.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 0419919 A1 [0002]
DE 10333359 B3 [0005]

Claims

Drive unit for a crushing device comprising a star / delta switchable motor, a drive converter for controlling or controlling a physical size of the motor and a control unit, characterized in that switching devices are provided in the drive unit, which enable the star / delta switching wherein the selection of the position of the switching devices is performed by the control unit and wherein the control unit for at least takes into account a detected size in the drive unit.

Drive unit according to claim 1, characterized in that the drive unit comprises at least one further switching device, which allows in conjunction with the switching devices for star / delta switching a two-channel redundant shutdown of the star / delta-switchable motor.

Drive unit according to claim 2, characterized in that the further switching device is arranged between Dreieckabgriff and engine.

Drive unit according to one of claims 1-3, characterized in that the control unit is part of the drive converter.

Drive unit according to claim 1, characterized in that a detected quantity for the selection of the position of the switching devices is the motor phase current.

Drive unit according to claim 1, characterized in that a detected variable for the selection of the position of the switching devices, the rotational speed of the motor.

Drive unit according to claim 6, characterized in that the rotational speed of the engine is calculated by model-based method involving the measured motor phase current.

Drive unit according to one of claims 1-7, characterized in that the star / delta-switchable motor connected in delta has a nominal voltage which corresponds approximately to the supply voltage for the drive unit.

Method for operating a drive unit realized according to one of claims 1-8, characterized in that the control unit for providing an increased torque requirement, in particular in the overload case, taking into account at least one detected in the drive unit size controls the switching devices for the star / delta switching such in that the motor is operated in star connection.

A method according to claim 9, characterized in that the switching of the motor in star connection takes place only below an adjustable in the control device engine speed limit.

A method according to claim 9 or 10, characterized in that in a the switching operation of the switching devices overlapping time window by means of the drive converter, the motor current is controlled to a value near 0 A.

A method according to claim 9 or 10, characterized in that in a the switching operation of the switching devices overlapping time window, the output stage of the drive converter is locked.

A method according to claim 11 or 12, characterized in that after the switching operation of the switching devices in the drive converter, a correction of the space pointer sizes required for the calculation of the output signals of the drive converter takes place, so that the further control of the motor takes place phase-synchronously after the switching operation.

A method according to claim 9 or 10, characterized in that the drive converter changes the flux in the motor depending on the current torque requirement and the selected position of the switching devices.

A method according to claim 14, characterized in that the control of the motor takes place without measuring the mechanical rotor position or speed of the motor.