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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung
einer Vielzahl von Servomotor-Antrieben. Im Stand der Technik sind
diverse Vorrichtungen bekannt, bei denen es erforderlich ist, eine
Vielzahl von Servomotoren zentral zu steuern. Dabei ist es bekannt,
dass derartige Antriebe von Umrichtern bzw. Wechselrichtern gesteuert
werden. Diese Wechselrichter erzeugen Netzrückwirkungen, die zur Erreichung
genormter Grenzwerte durch EMV-Netzfilter unterdrückt werden
müssen.
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Dabei
ist es zur Kosteneinsparung sinnvoll, mehrere Umrichter über ein
gemeinsames Filter am Netz anzuschließen. Daneben ist es auch möglich, ein
Paket von mehreren Wechselrichtern an einem gemeinsamen DC-Zwischenkreis
zu betreiben. In diesem Fall kommt ebenfalls nur ein Netzfilter
zum Einsatz.
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Ein
Problem bei der Dimensionierung dieses Netzfilters sind die sogenannten
Erdableitströme,
die durch die hohe Schaltgeschwindigkeit der Schalter an den Ausgängen der
Wechselrichter entstehen. Diese Erdableitströme stellen ungleichmäßige Belastungen,
im Folgenden auch als asymmetrische Belastungen bezeichnet, für das Filter
bzw. die typischerweise im Filter verwendete dreiphasige stromkompensierte
Drossel dar. Durch diese Belastung wird die Drossel in die Sättigung
getrieben und steht damit für
ihre Aufgabe nicht mehr zur Verfügung.
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Ein
besonders ungünstiger
Betriebspunkt bei einem synchronisierten Antriebspaket liegt dann
vor, wenn alle Antriebe stehen, dabei jedoch in Regelung sind, um
betriebsbereit zu bleiben. In diesem Extremfall sind die Ausgangspannungen
im Wesentlichen null. In Verbindung mit dem üblichen Pulsweitenmodulations-Verfahren
(PWM) kommt es dann zu einer Situation, in der alle Leistungsgänge synchron
zwischen einem positiven und einem negativen Potenzial hin und her
schalten. Da jeder Ausgang mit einem Kabel und der Wicklung des
Motors verbunden ist, bilden sich jeweils Kapazitäten zwischen
den Ausgängen
und der Erde. Damit summieren sich die Amplituden der Ströme, die
nach Erde abfließen.
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Insbesondere
bei Anordnungen, die viele Wechselrichter mit langen und geschirmten
Motorkabeln vorsehen, ergeben sich so hohe Erdableitströme, dass
der Netzfilter bzw. die strom kompensierte Filterdrossel extrem voluminös und teuer
werden muss, damit sie nicht gesättigt
werden kann.
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Aus
dem Stand der Technik ist ein Verfahren bekannt, bei welchem verwendeten
Pulsmuster innerhalb der einzelnen Wechselrichter geändert wurden.
Dabei wurde die Anzahl an Schaltflanken innerhalb der Gleichtaktspannung
verringert. Dieses Verfahren ist jedoch mit relativ hohen Spannungs-
bzw. Stromverlusten und auch mit einer hohen Geräuschentwicklung verbunden.
Daneben wird bei diesen Verfahren die Anzahl an Schaltflanken innerhalb
der Gleichaltspannung verringert und daher keine Reduzierung der
Erdableitströme
erreicht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Verfügung
zu stellen, durch welche die auf das Netzfilter wirkenden Belastungen
verringert werden können
und welche es daher erlauben, das gemeinsame Netzfilter zu verkleinern
und daher kostengünstiger
auszuführen.
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Dies
wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch
8 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Verringerung von insbesondere in der Netzleitung resultierenden
Erdableitströmen
bei der Steuerung einer Vielzahl von Servomotor-Antrieben, wobei die Antriebe mit einem
gemeinsamen Netzfilter betrieben werden und jeder Antrieb in einer
vorgegebenen Weise getaktet wird, werden erfindungsgemäß die Antriebe
mit Hilfe einer Synchronisationseinrichtung synchronisiert und wenigstens
ein Antrieb wird wenigstens zeitweise invers bezüglich eines weiteren, mit der
gleichen Taktfrequenz arbeitenden Antriebs getaktet. Die Taktfrequenz
wird auch als Schaltfrequenz bezeichnet.
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Wie
eingangs erwähnt,
ist für
das Netzfilter insbesondere diejenige Situation sehr kritisch, bei der
alle Antriebe stehen, dabei jedoch in Regelung sind. Daher wird
insbesondere in diesem zeitlichen Abschnitt wenigstens ein Antrieb
invers oder um 180° versetzt
bezüglich
eines weiteren Antriebs getaktet.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren kann
insbesondere auch im Stillstandsfall das Netzfilter mit wenig Aufwand
geschont werden. Durch das invertieren der Taktung wenigstens eines
Antriebs gegenüber
einem weiteren Antriebs treten zwar weiterhin die einzelnen Umschaltzeitpunkte
gleichzeitig auf, jedoch werden die resultierenden Erdableitströme wenigstens
teilweise kompensiert, da beispielsweise einer positiven Spannungsflanke,
die zu einem Stromimpuls führt,
zur gleichen Zeit eine negative Flanke entgegensteht, die einen
gleichgroßen
negativen Stromimpuls erzeugt. Unter einem Invertieren der Taktung
wird damit verstanden, dass zwar die Schaltzeitpunkte beibehalten
werden, jedoch die Schaltrichtung (von positivem zu negativem Potenzial
bzw. von negativem zu positivem Potenzial) umgekehrt wird.
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Mit
anderen Worten werden die Pulsmuster wenigstens zweier Antriebe
um 180° gegeneinander verschoben.
Die Pulsmuster können
dabei aufgrund des bevorzugt angewandten Verfahrens der Pulsweitenmodulation
unterschiedliche Pulsbreiten aufweisen. Damit sind zumindest die
Grundmuster dieser Modulation, aus denen sich die Pulsmuster ergeben, invers
bzw. zeitlich zueinander versetzt. Es wäre jedoch auch möglich, die
Pulsmuster wenigstens zweier Antriebe um einen Versatz zu verschieben,
der im Bereich von 180° liegt,
beispielsweise zwischen 160° und
200°. In
diesem Fall liegt eine im Wesentlichen inverse Taktung vor. Bevorzugt
werden auch in diesem Fall diese Antriebe mit der gleichen Taktfrequenz
betrieben.
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Wie
ausgeführt,
wird die inverse Taktung im Fall eines belastungsfreien Stillstands
verwendet, also insbesondere dann, wenn an den Wechselrichtern der
Anlage eine Ausgangsspannung von 0 vorliegt.
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Daneben
wäre es
auch möglich,
die Pulsmuster um andere Periodenanteile als 180° gegeneinander zu verschieben,
beispielsweise im Fall von drei Antrieben um jeweils 120° gegeneinander.
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Vorzugsweise
wird eine erste Hälfte
der Antriebe invers gegenüber
einer zweiten Hälfte
der Antriebe getaktet. Auf diese Weise kann die höchste Anzahl
von beispielsweise positiven Spannungsspitzen mit entsprechenden
negativen Spannungsspitzen ausgeglichen werden.
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Mit
anderen Worten sind bevorzugt bei einer Hälfte der Antriebe die PWM-Pulsmuster
um im Wesentlichen 180° gegenüber den
PWM-Pulsmustern der anderen Hälfte
der Antriebe verschoben.
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Falls
eine ungerade Anzahl von Antrieben vorliegt bietet es sich an, möglichst
viele Paare mit zueinander invers getakteten Antrieben (bzw. gegeneinander
um 180° verschobenen
Pulsmustern) zu bilden, sodass im Ergebnis zumindest theoretisch
nur noch ein Antrieb einen resultierenden Erdableitstrom erzeugt.
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Weiter
wäre es
auch möglich,
die Erdableitströme
der einzelnen Antriebe zu messen oder theoretisch zu bestimmen und
unter Berücksichtigung
der entsprechenden Messergebnisse oder der theoretischen Ergebnisse
die jeweiligen Taktungen einzelner Antriebe so festzulegen, dass
die resultierenden Erdableitströme
minimal werden.
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Vorzugsweise
werden die Antriebe mit einem gemeinsamen DC-Zwischenkreis betrieben.
Durch diese Vorgehensweise können
die Kosten für
die gesamte Steuerung herabgesetzt werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
werden die Antriebe über
einen Feldbus synchronisiert. Dabei kommt beispielsweise Sercos in
Betracht. Andere Möglichkeiten
wären beispielsweise
eine Synchronisierung über
Ethernet und dergleichen. Damit stellt bei diesen Verfahren der
Feldbus die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung dar.
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Vorzugsweise
weist der Feldbus eine Vielzahl von Antriebsadressen auf und die
Taktung der Antriebe hängt
von dem Zahlenwert dieser Adressen ab. Genauer gesagt ist jeder
Adresse ein bestimmter Antrieb zugeordnet und die Frage, ob invers
oder nicht invers getaktet wird, bzw. ob das Pulsmuster um 180° verschoben
ist oder nicht hängt
von dem Wert dieser Adresse ab.
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So
ist es besonders bevorzugt möglich,
das alle Antriebe, die einer Antriebsadresse mit einem geraden Zahlenwert
zugeordnet sind, in einer ersten vorgegebenen Weise getaktet werden
und alle Antriebe, die eine Antriebsadresse mit einem ungeraden
Zahlenwert zugeordnet sind, in einer zweiten bezüglich der ersten vorgegebenen
inversen Weise getaktet werden. Damit kann der Anwender durch Parametrierung
vorgeben, ob der jeweilige Wechselrichter invers taktet oder nicht
bzw. ob das betreffende Pulsmuster verschoben ist oder nicht. Ein
besonders einfaches Verfahren besteht damit darin, die Feldbusadresse
für die Zuordnung
heranzuziehen. Wechselrichter mit ungerader Adresse takten invers,
während solche
mit gerader Adresse nicht invers takten. Statistisch kommt es so
zu der gewünschten
Kompensation der Erdableitströme.
Je gleichartiger die Antriebe sind, umso größer ist der Kompensationseffekt.
In jedem Fall wird erreicht, dass der Erdableitstrom deutlich kleiner
als ohne inverse Taktung ist.
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In
einem weiteren bevorzugten Verfahren werden die Antriebe durch eine
Prozessoreinrichtung synchronisiert. Dabei kann es sich beispielsweise
um einen Hochleistungsprozessor handeln, der diese Synchronisation übernimmt.
Dabei übernimmt
der Prozessor bevorzugt seine interne Nummerierung und diese wird
nicht durch Parametrierung von extern vorgegeben.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Steuerungsvorrichtung
für Servomotor-Antriebe mit einem
gemeinsamen Netzfilter für
alle Servomotoren gerichtet. Diese Vorrichtung weist eine Vielzahl von
Wechselrichtern auf, die jeweils zur Ansteuerung eines Servomotor-Antriebe
dienen. Daneben ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, die einzelne Wechselrichter
in vorgegebener Weise taktet. Erfindungsgemäß ist die Steuerungseinrichtung
derart ausgeführt,
dass wenigstens ein Wechselrichter bezüglich eines weiteren Wechselrichters
invers getaktet wird bzw. bei wenigstens einem der Antriebe das PWM-Pulsmuster
um im Wesentlichen 180° gegenüber dem
PWM-Pulsmuster wenigstens eines weiteren Antriebs verschoben wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Steuerungseinrichtung um einen
Feldbus, der die einzelnen Antriebe synchronisiert. Es wäre jedoch
auch möglich
als Steuerungseinrichtung eine Prozessoreinrichtung vorzusehen.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen.
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Darin
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung
der Servomotor-Antriebe; und
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2 eine
schematische Darstellung der Pulse zur Veranschaulichung der inversen
Taktung.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zum Steuern einer Vielzahl von Servormotor-Antrieben.
In 1 sind drei Antriebe bzw. Servomotoren 4 gezeigt,
die jeweils durch einen Wechselrichter 7 über Leitungen 3 angesteuert
werden. Dieser Wechselrichter 7 weist bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform
jeweils eine Vielzahl von Halbleiterschaltern 8 auf. Wie
eingangs erwähnt,
liegt der bezüglich
der Erdableitströme
ungünstigste
Betriebspunkt vor, wenn alle Antriebe stehen, dabei aber in Regelung
sind. In diesem Falle schalten die Leistungsausgänge aller Halbleiterschalter 8 synchron
zwischen positivem und negativem Potenzial hin und her und so kommt
es zu sehr hohen Erdableitströmen.
Das Bezugszeichen 2 bezieht sich auf eine dreiphasige stromkompensierte Drossel.
Das Bezugszeichen 5 bezieht sich auf einen DC-Zwischenkreis, über den
die gezeigten drei Antriebe gemeinsam betrieben werden.
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Wenn
die Motoren drehen, liefern die einzelnen Wechselrichter 7 mehr
oder weniger sinusförmige
Ausgangsspannungen. Damit treten die Pulsweitenmodulations (PWM)
bedingten Schaltzeitpunkte nicht mehr gleichzeitig auf und auf diese
Weise tritt eine Vielzahl von Erdableitströmen auf, bei denen jedoch normalerweise
keine eine für
die Drossel bedenkliche Amplitude aufweist. Diese verteilten Ströme können auch
von Drosseln kleinerer Dimension unterdrückt werden.
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Erfindungsgemäß wird nun
vorgeschlagen, dass die einzelnen Wechselrichter invers getaktet werden.
Damit würde
beispielsweise der in 1 gezeigte oberste Wechselrichter 7 bezüglich des
zweiten (mittleren) Wechselrichters 7 jeweils umgekehrte Spannungsspitzen
erzeugen. Damit entstehen zwar bei den einzelnen Wechselrichtern
auch die genannten Erdableitströme,
diese werden jedoch hier beispielsweise durch die Erdableitströme des zweiten Wechselrichters,
der invers getaktet ist, kompensiert.
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Bei
einer geraden Anzahl von Wechselrichtern und gleichlangen Motorkabeln
heben sich die Erdableitströme
dann in der Netzeinspeisung genau auf und stellen damit keine Belastung
mehr für
die stromkompensierte Drossel 2 dar. Dieser Fall ist insofern
theoretisch, als nicht exakt die gleichen Kapazitäten in den
einzelnen Antrieben auftreten. Jedenfalls wird jedoch eine erhebliche
Reduzierung des resultierenden Erdableitstroms bzw. mindestens dessen Halbierung
durch die erfindungsgemäße Methode
erreicht.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Invertierung.
Dabei kennzeichnet obere Spannungsverlauf 15 denjenigen
eines ersten Wechselrichters und der untere Spannungsverlauf 25 denjenigen
eines hierzu invers getakteten Wechselrichters. Um auch den Stillstandfall mit
möglichst
wenig Aufwand beherrschbar zu machen, wird bevorzugt die Hälfte der
Wechselrichter 7 invers zur anderen Hälfte getaktet bzw. allgemein
wenigstens ein Wechselrichter invers bezüglich eines weiteren Wechselrichters
getaktet. Genauer gesagt wird hierzu die zur Modulation verwendete
Dreiecksfunktion 12 invertiert, was zu der unteren Funktion 22 führt.
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Das
Bezugszeichen 18 bezieht sich auf die Ausgangsspannung.
Wenn diese wie in dem hier gezeigten Beispiel bei null liegt führt dies
dazu, dass der Spannungsverlauf 25 gegenüber dem
Spannungsverlauf 15 um 180° verschoben wird. Die Bezugszeichen 14 und 24 beziehen
sich auf Spannungsflanken die zu den Erdableitströmen führen. Dabei
bezeichnet das Bezugszeichen 14 eine positive Spannungsflanke,
die zu einem positiven Stromimpuls führt, der nach Erde abfließt. Das
Bezugszeichen 24 bezieht sich auf eine negative Spannungsflanke,
die einen gleichgroßen
jedoch negativen Stromimpuls erzeugt. Durch die Invertierung treten
dieser positive und negative Stromimpuls gleichzeitig auf und heben
sich insgesamt damit auf oder kompensieren sich zumindest größtenteils.
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Liegt
beispielsweise eine Vielzahl von Antrieben und Wechselrichtern vor,
so wird, wie oben erwähnt,
die Hälfte
gemäß dem oberen
Teilbild von 2 getaktet und die weitere Hälfte gemäß dem unteren
Teilbild. Auf diese Weise wird eine besonders günstige Kompensation resultierender
Erdableitströme
erreicht.
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Das
Bezugszeichen 9 bezieht sich auf eine Steuerungseinrichtung,
die zur Ansteuerung der einzelnen Wechselrichter bzw. deren Taktung
dient. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Feldbus handeln,
der eine Vielzahl von Antriebsadressen besitzt, die jeweils den
einzelnen Wechselrichtern zugeordnet ist. Je nach dem Zahlenwert
der einzelnen Antriebsadressen, d.h. je nachdem ob dieser Zahlenwert
positiv oder negativ ist, wird der zugehörige Wechselrichter invers
oder nicht invers getaktet. Die Steuerungseinrichtung ist über Verbindungen 6 mit den
Wechselrichtern verbunden.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Vorrichtung
zum Steuern von Servomotor-Antrieben
- 2
- dreiphasige
stromkompensierte Drossel
- 3
- Leitung
- 4
- Servomotor-Antrieb
- 5
- DC-Zwischenkreis
- 6
- Verbindung
- 7
- Wechselrichter
- 8
- Halbleiterschalter
- 9
- Steuerungseinrichtung
- 12
- Dreiecksfunktion
- 14
- positive
Spannungsflanke
- 15
- Spannungsverlauf
- 18
- Ausgangsspannung
- 22
- invertierte
Dreiecksfunktion
- 24
- negative
Spannungsflanke
- 25
- invertierter
Spannungsverlauf