DE19653182A1

DE19653182A1 - Antriebseinrichtung für Walzgerüste

Info

Publication number: DE19653182A1
Application number: DE19653182A
Authority: DE
Inventors: Rolf-Dieter Dr Ing Klug
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-06-25
Also published as: DE19781466D2; ATA912297A; CN1103650C; CN1239909A; WO1998028095A1; AT410184B

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für Walzgerü ste.

Industrienetze, die Großantriebe versorgen, z. B. Wechselspan nungs-Energieversorgungsnetze für Walzwerke, werden stark mit induktiver Blindleistung belastet. Dies hat örtliche Span nungsabsenkungen und hohe Leitungsverluste zur Folge. Insbe sondere sind hiervon schwache bzw. generatorferne Netze be troffen. Es ist bekannt, das Problem durch aufwendige Blind leistungskompensationsanlagen zu lösen, die aus geschalteten Kondensatorbänken und ggf. zusätzlichen geregelten Stabilisa toren (Thyristorsteller und Drosseln) bestehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antriebseinrichtung anzu geben, mittels derer eine einfache und kostengünstigere Blindleistungskompensation erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinrich tung gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei weist die Antriebsein richtung zumindest einen Drehstrommotor und zumindest einen Umrichter, über den der Drehstrommotor mit einem Wechselspan nungs-Energieversorgungsnetz verbunden ist, auf, wobei der Umrichter die Wirkleistungsaufnahme des Drehstrommotors aus dem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz regelt und eine einstellbare, insbesondere kapazitive, Blindleistung in das Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz einspeisend ausgebil det ist. Auf diese Weise ist es möglich, auf aufwendige Kom pensationsanlagen für die Antriebseinrichtung zu verzichten.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die An triebseinrichtung derart ausgebildet, daß sie die induktive und/oder kapazitive Blindleistung zumindest einer blindlei stungserzeugenden Einrichtung, die mit dem Wechselspannungs- Energieversorgungsnetz verbunden ist, kompensiert. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, da auf diese Weise aufwendige Blindleistung-Kompensationseinrichtungen für wei tere blindleistungserzeugende Einrichtungen, insbesondere An triebe, die mit dem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz verbunden sind, verzichtet werden kann. Auf diese Weise kön nen besonders kostengünstige Antriebseinrichtungen für Indu strieanlagen, insbesondere für Walzstraßen konzipiert werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinrichtung derart ausgebildet, daß sie die Blindlei stung gemaß der Grundschwingung der Wechselspannung des Wech selspannungs-Energieversorgungsnetzes kompensiert.

In weiterer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Antriebseinrichtung derart ausgebildet, daß Stern-Blindlei stung gemäß einer oder mehrerer harmonischer der Wechselspan nung des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes kompen siert wird, so daß auch auf Filterbänke zur Kompensation von Oberschwingungen verzichtet werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebseinrichtung eine Zwischenkreisspannungs- Berechnungseinheit auf, die die Zwischenkreisspannung in Ab hängigkeit der Spannung des Wechselspannungs-Energieversor gungsnetzes berechnet.

Besonders vorteilhaft kommt die erfindungsgemäße Antriebsein richtung für Antriebe in einem Leistungsbereich von 1 bis 20 MW, vorteilhafterweise von 2 bis 10 MW, bzw. in bezug auf Stoßlast für einen Leistungsbereich von 2 bis 30 MW, vorteil hafterweise von 4 bis 20 MW, zum Einsatz.

Die erfindungsgemaße Antriebseinrichtung hat sich weiterhin als besonders vorteilhaft in Verbindung mit Drehstrommotoren in Tandemschaltung erwiesen, d. h. bei Schaltungen, bei der der Drehstrommotor offene Wicklungen aufweist, die beidseitig von Umrichtern gespeist werden.

Die erfindungsgemaße Antriebseinrichtung kommt ferner beson ders vorteilhaft zum Antrieb von Walzgerüsten einer Walzstra ße zur Anwendung.

Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Antriebsein richtung zur Spannungsstützung des Energieversorgungsnetzes durch Blindleistungseinspeisung eingesetzt.

Der Umrichter der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung kann im übrigen als luftgekühlter Umrichter ausgeführt sein.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Unteransprü chen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung,

Fig. 2 eine Regeleinrichtung für eine erfindungsgemäße An triebseinrichtung,

Fig. 3 eine Umrichteranordnung zur Speisung eines Drehstrom motors mit Teilwechselrichter in Dreipunktschaltung auf der Netz- und Maschinenseite,

Fig. 4 eine Umrichteranordnung zur beidseitigen Speisung ei nes Drehstrommotors mit offener Wicklung mit Teil wechselrichter in Dreipunktschaltung,

Fig. 5 den Einsatz eines erfindungsgemäßen Umrichters in ei nem Walzwerk.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung mit ei nem Drehstrommotor 6, der über einen Umrichter und über einen Transformator 2 bzw. eine Drossel mit einem Energieversor gungsnetz 1 verbunden ist. Der Umrichter weist einen selbst geführten Gleichrichter 3, einen Gleichspannungszwischenkreis 4 und einen selbstgeführten Wechselrichter 5 auf. Die Lei stungsaufnahme des Drehstrommotors 6 aus dem Energieversor gungsnetz 1 wird mittels einer Regeleinrichtung 7 geregelt. Dazu wird der Regeleinrichtung eine Spannungszwischenkreis sollspannung U*_ZK vorgegeben, die der Wechselrichter 5 benö tigt, um Drehmoment, Drehzahl und/oder Leistung des Dreh strommotors 6 einzustellen. Die Regeleinrichtung 7 regelt den selbstgeführten Gleichrichter dahingehend, daß sich an dessen Ausgang eine Zwischenkreisspannung U_ZK ergibt, die der ge wünschten Zwischenkreissollspannung U*_ZK entspricht. Weiter hin wird der Regeleinrichtung 7 ein Blindleistungssollwert Q* zugeführt. Die Regeleinrichtung 7 regelt den selbstgeführten Gleichrichter 3 derart, daß er an das Energieversorgungsnetz 1 eine Blindleistung abgibt, die der gewünschten Sollblind leistung Q* entspricht. In der beispielhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 1 weist die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung eine Einrichtung 9 zur Vorgabe des Blindleistungssollwertes Q* auf. Diese gibt vorteilhafterweise einen Blindleistungs sollwert Q* vor, der zu einer Blindleistungsabgabe der erfin dungsgemäßen Antriebseinrichtung führt, die die Blindlei stungsabgabe von blindleistungserzeugenden Einrichtungen 8 an das Energieversorgungsnetz 1 kompensiert. Dabei kann die er findungsgemaße Antriebseinrichtung sowohl Blindleistung gemäß der Grundschwingung der Wechselspannung des Energieversor gungsnetzes 1 als auch deren höherfrequente harmonische An teile kompensieren.

Fig. 2 zeigt eine beispielhafte detaillierte Ausgestaltung der Regeleinrichtung 7 aus Fig. 1. Die Regeleinrichtung 7 weist in der beispielhaften Ausgestaltung einen Zwischenkreisspan nungsregler 10, einen Wirkstromregler 11, eine Blindstromvor gabe 12, einen Blindstromregler 13, eine Steuereinrichtung 14 sowie eine Meßwertaufbereitung 15 auf. Der Zwischenkreisspan nungsregler 10 ermittelt aus der Zwischenkreissollspannung U*_ZK sowie der Zwischenkreisspannung U_ZK einen Sollwert I*_W für den Wirkstrom. Die Blindstromvorgabe 12 ermittelt aus dem Blindleistungssollwert Q* einen Blindstromsollwert I*_B. Der Wirkstromregler 11 erzeugt aus dem Wirkstromsollwert I*_W und dem Wirkstromistwert I_W Sollwerte für die Spannung zwischen dem Transformator 2 und dem selbstgeführten Gleichrichter 3. Der Blindstromregler 13 erzeugt aus dem Blindstromsollwert I*_B und dem Blindstromistwert I_B ebenfalls Sollwerte für die Spannung zwischen dem Transformator 2 und dem selbstgeführten Gleichrichter 3. Die Ausgange des Wirkstromreglers 11 und des Blindstromreglers 13 werden einer Steuereinrichtung 14 zuge führt, die Steuersignale für die Leistungshalbleiter des selbstgeführten Gleichrichters 3 derart erzeugt, daß die ge wünschten Spannungen an der Wechselstromseite des selbstge führten Gleichrichters 3 entstehen.

In vorteilhafter Ausgestaltung werden die Ausgänge des Wirk stromreglers 11 und des Blindstromreglers 13 durch die Steu ereinrichtung 14 addiert. Der Wirkstromistwert I_W, der Blind stromistwert I_B sowie die Zwischenkreisspannung U_ZK werden ge messen oder vorteilhafterweise mittels einer Meßwertaufberei tung 15 bestimmt. Diese ermittelt den Wirkstrom I_W und den Blindstrom I_B aus Meßwerten des Stromes zwischen dem Trans formator 2 und dem selbstgeführten Gleichrichter 3 mittels der Orientierung der Phasenlage von Strom und Spannung des Ener gieversorgungsnetzes 1.

Die Einrichtung 9 zur Vorgabe des Blindleistungssollwertes Q* ermittelt diesem z. B. durch Messung von Strom und Spannung des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes 1. In alterna tiver Ausgestaltung wird in der Einrichtung 9 zur Vorgabe des Blindleistungssollwertes Q* der Blindleistungsbedarf oder ei ne äquivalente Größe aus Kenntnis der mit dem Energieversor gungsnetz verbundenen Einrichtungen ermittelt. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die Einrichtung 9 zur Vorgabe des Blindleistungssollwertes Q* mit einem übergeordneten Leitsystem verbunden, oder Teil eines derartigen Leitsystems, und ermittelt aus Kenntnis der an das Wechselspannungs- Energieversorgungsnetz 1 angeschlossene Einrichtungen und ih ren Betriebszuständen den Blindleistungsbedarf. So können z. B. auch mehrere erfindungsgemäße Antriebseinrichtungen eine einzige Einrichtung 9 zur Vorgabe ihrer Blindleistungssoll werte Q* aufweisen.

Fig. 3 zeigt eine Umrichteranordnung zur Speisung einer Dreh strommaschine, wobei der netzseitige Teilumrichter 33 und der motorseitige Teilumrichter 34 mit GTO's in Dreipunktschal tung, jeweils gleich, ausgeführt sind. Es ist jeweils der Hauptstromkreis eines Phasenbausteins mit seinem Beschal tungsnetzwerk 40 bzw. 41 dargestellt. Die Teilumrichter 33 und 34 weisen jeweils drei solcher Phasenbausteine auf. Der P-seitige Zwischenkreiskondensator 37 bildet gemeinsam mit dem N-seitigen Zwischenkreiskondensator 39 den Gleichspannungs zwischenkreis, über den die beiden Teilumrichter verbunden sind. Der P-seitige Beschaltungsrückladewiderstand 36 und der N-seitige Beschaltungsrückladewiderstand 38 sind mit der je weiligen Seite der Beschaltungsnetzwerke 40 bzw. 41 verbunden.

Der netzseitige Teilumrichter 33 ist ausgangsseitig über den Transformator 31 und dem Leistungsschalter 32 mit dem Netz 30 verbunden. Der maschinenseitige Teilumrichter 34 ist aus gangsseitig mit dem Drehstrommotor 35 verbunden.

Bei der Anordnung in Fig. 4 ist ein erster Umrichter 74 und ein zweiter Umrichter 75 ausgangsseitig jeweils mit einer Seite 71 und 72 der offenen dreiphasigen Wicklung des Dreh strommotors 73 verbunden. Durch diese Anordnung wird neben einer Leistungsverdoppelung ein besonders vorteilhaftes Be triebsverhalten erreicht, da, entsprechend abgestimmtes Puls verfahren vorausgesetzt, selbst bei niedriger Schaltfrequenz der GTO-Thyristoren ein weitgehend sinusförmiger Stromverlauf im Motor mit geringem Oberschwingungsgehalt erreicht wird.

Netzseitig ist der erste Umrichter 74 über eine optionale netzseitige Zusatzinduktivität 63 und einen ersten Transfor mator 61 z. B. in Stern/Dreieckschaltung mit dem Energiever sorgungsnetz 60 verbunden. Der zweite Umrichter 75 ist über eine optionale netzseitige Zusatzinduktivität 64 und einen zweiten Transformator 62 vorteilhafterweise um elektrisch 30° gegenüber dem ersten Transformator 61 versetzt (z. B. in Stern/Sternschaltung) mit dem Energieversorgungsnetz 60 ver bunden. Durch diese Anordnung kommt es am Netz zu besonders günstigen Netzrückwirkungen, insbesondere wenn, wie im vor liegenden Beispiel, die Umrichter aus Teilumrichtern in Drei punktschaltung bestehen. Es kommt dabei selbst bei Grund schwingungstaktung der selbstgeführten Netzstromrichter zu sinusförmigem Stromverlauf mit sehr geringem Oberschwingungs gehalt.

Die beiden Umrichter 74 und 75 weisen jeweils netzseitige Teilumrichter 66 bzw. 65 und maschinenseitige Teilumrichter 69 bzw. 70 auf, die jeweils über einen Gleichspannungszwischen kreis 67 bzw. 68 verbunden sind. Die beiden Gleichspannungs zwischenkreise 67 bzw. 68 sind voneinander elektrisch ge trennt. Alle Teilumrichter 66, 65, 69, 70 sind in Dreipunkt schaltung, vorzugsweise mit RC-GTO's, ausgeführt.

Fig. 5 zeigt den Einsatz einer erfindungsgemäßen Arbeitsein richtung in einem Walzwerk. Das Walzgut 103 wird in den Walz gerüsten 104, 105, 106, 107, die von elektrischen Motoren 99, 100, 101, 102 angetrieben werden, gewalzt.

Die Motoren 99, 100, 101, 102 werden über je einen Transformator 91, 92, 93, 94 und je einen Umrichter 95, 96, 97, 98 durch ein Energieversor gungsnetz 90 gespeist. In einem möglichen Ausführungsbeispiel sind der Transformator 91, der Umrichter 95 und der Dreh strommotor 99 Teil einer erfindungsgemäßen Antriebseinrich tung, die die von den Antriebseinrichtungen der anderen Walz gerüste 105, 106, 107 erzeugte Blindleistung kompensiert. Der Anteil von erfindungsgemäßen Antriebseinrichtungen zur Blind leistungskompensation und bekannten Antriebseinrichtungen richtet sich im wesentlichen nach dem Bedarf an kapazitiver Blindleistung, um die induktive Blindleistung herkömmlicher Antriebseinrichtungen zu kompensieren.

Von größerer Bedeutung für die Praxis ist jedoch eine Ausfüh rung, bei der alle Antriebe einer Walzstraße erfindungsgemäß ausgeführt sind und die Blindleistung der Antriebe anderer Walzstraßen kompensieren.

Claims

1. Antriebseinrichtung für Industrieanlagen, insbesondere für Anlagen der Grundstoffindustrie, mit zumindest einem Elektro motor und zumindest einem Umrichter, über den der Elektro motor mit einem Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz verbunden ist, wobei der Umrichter die Wirkleistungsaufnahme bzw. Drehzahl und/oder Drehmoment des Elektromotors regelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter eine einstellbare Blindleistung in das Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz einspeisend ausge bildet ist.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Blindleistung zumindest einer blindleistungs erzeugenden Einrichtung (8), die mit dem Wechselspannungs- Energieversorgungsnetz verbunden ist, kompensierend ausge bildet ist.

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Blindleistung gemaß der Grundschwingung der Wechselspannung des Wechselspannungs-Energieversorgungsnetzes kompensierend ausgebildet ist.

4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Blindleistung gemäß einer oder mehrerer Harmonischer der Wechselspannung des Wechselspannungs-Energieversorgungs netzes kompensierend ausgebildet ist.

5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter Leistungshalbleiter aufweist, die mittels einer Regeleinrichtung (7) geregelt bzw. gesteuert werden.

6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (9) zur Vorgabe eines Blindleistungs-Sollwertes, entsprechend der gewünschten Blindleistungseinspeisung in das Wechselspannungs-Energie versorgungsnetz aufweist.

7. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter als Umrichter mit Gleichspannungs zwischenkreis in Dreipunktschaltung ausgebildet ist.

8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter als Umrichter mit Gleichspannungs zwischenkreis in n-Punkt-Schaltung ausgebildet ist, wobei n größer gleich 2 ist.

9. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die abschaltbaren Leistungshalbleiter als GTO's, d. h. als Gate Turn Off Thyristors, ausgebildet sind.

10. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, die als MCT's, d. h. als MOS Controlled Thyristors, ausgebildet sind.

11. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter abschaltbare Leistungshalbleiter aufweist, die als Leistungstransistoren, insbesondere als IGBT's, d. h. Insulated Gate Bipolar Transistors, ausgebildet sind.

12. Antriebseinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die abschaltbaren Leistungshalbleiter rückwärts leitend ausgebildet sind.

13. Walzstraße mit einem oder mehreren Walzgerüsten (104, 105, 106, 107) zum Walzen von Walzgut (103), insbesondere einem Walzband, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Walzgerüst mit einer Antriebseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche angetrieben wird.

14. Walzstraße nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Walzgerüste, insbesondere alle Walzgerüste (104, 105, 106, 107) mit einer Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angetrieben werden.

15. Verfahren zur Walzen von Stahl mittels einer Walzstraße gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter eine einstellbare Blindleistung in das Wechselspannungs-Energieversorgungsnetz einspeisend ausgebildet ist.

16. Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß er nach dem Verfahren gemäß Anspruch 15 gewalzt ist.