專利名稱：用于工業(yè)設(shè)備、尤其是原材料工業(yè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工業(yè)設(shè)備，尤其是原材料工業(yè)設(shè)備部件的電驅(qū)動(dòng)裝置，它具有至少一個(gè)電動(dòng)機(jī)和至少一個(gè)變頻器。
在為工業(yè)設(shè)備，如軋鋼機(jī)的大功率驅(qū)動(dòng)對(duì)變頻器設(shè)計(jì)時(shí)，是以一種假設(shè)的工作情況為出發(fā)點(diǎn)的。其尺寸確定必須始終在最高環(huán)境溫度或最高冷卻劑溫度下的最艱難工作情況下假定承受最不利的負(fù)載條件下完成。為此，對(duì)于所選擇的一預(yù)定負(fù)載而言，確定一定時(shí)間間隔內(nèi)的超負(fù)載能力，該時(shí)間間隔由變頻器的功率半導(dǎo)體達(dá)到可靠的最高溫度所確定。
對(duì)于上述應(yīng)用而言，用所期望的投入對(duì)功率半導(dǎo)體絕緣層的熱臨界溫度進(jìn)行測(cè)量是不可能的。此外，帶有新式半導(dǎo)體，如可斷路晶體管的整流器在熱臨界超載時(shí)是帶有傳統(tǒng)晶體管插件的整流器的變型。這一點(diǎn)是由這種新式半導(dǎo)體的工作方式來產(chǎn)生的，該半導(dǎo)體主動(dòng)使流過它的電流中斷，這除了導(dǎo)致通流損耗外還有開關(guān)損耗。半導(dǎo)體的開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗占總損耗的比例就越大。在針對(duì)最困難操作情況的設(shè)計(jì)中，尤其是可斷路晶體管在通常操作條件下不足以達(dá)到滿負(fù)載。這一點(diǎn)由此實(shí)現(xiàn)，即，-半導(dǎo)體開關(guān)頻率不固定，而是自動(dòng)與操作情況最佳適配，-超載前的預(yù)加負(fù)載在強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間上可改變，-超載的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間可改變，-冷卻劑溫度，或環(huán)境溫度只不過很少達(dá)到其最大值。
這些邊界條件導(dǎo)致半導(dǎo)體的溫度常常明顯低于規(guī)定的極限溫度，該極限溫度會(huì)使功率半導(dǎo)體受過熱。這一波動(dòng)儲(chǔ)備可被利用，只不過須承受整流器發(fā)生故障并由此導(dǎo)致設(shè)備停止的風(fēng)險(xiǎn)。
本發(fā)明的目的在于提供一種用于工業(yè)設(shè)備，尤其是原材料工業(yè)，如軋鋼廠設(shè)備的電驅(qū)動(dòng)裝置，它帶有由變頻器供電的電動(dòng)機(jī)，其中，變頻器的功率半導(dǎo)體較之用于已公開的工業(yè)設(shè)備部件的電驅(qū)動(dòng)裝置能更好地得以充分利用。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即采用一種用于工業(yè)設(shè)備部件，尤其是原材料工業(yè)，如軋鋼廠的設(shè)備部件的驅(qū)動(dòng)裝置，其具有至少一個(gè)尤其是兆瓦范圍的電動(dòng)機(jī)和至少一個(gè)帶有功率半導(dǎo)體的變頻器，借助該變頻器，電動(dòng)機(jī)與一個(gè)供電網(wǎng)相聯(lián)，其中，該變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和/或有效功率輸入，該驅(qū)動(dòng)裝置具有一個(gè)計(jì)算裝置，該計(jì)算裝置尤其在線計(jì)算并監(jiān)控功率半導(dǎo)體或者更確切地說功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度并在功率半導(dǎo)體內(nèi)超過臨界溫度時(shí)降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和/或有效功率輸入，以避免功率半導(dǎo)體過熱。
本發(fā)明的目的還需通過一種控制或調(diào)節(jié)上述電驅(qū)動(dòng)裝置的方法來實(shí)現(xiàn)，即對(duì)功率半導(dǎo)體或功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度進(jìn)行計(jì)算，尤其是在線計(jì)算，對(duì)功率半導(dǎo)體或功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度在所算得的數(shù)值基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)功率半導(dǎo)體內(nèi)超過臨界溫度時(shí)，降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和/或功率輸入，以避免功率半導(dǎo)體過熱。
在此，該驅(qū)動(dòng)裝置具有一個(gè)計(jì)算裝置，該計(jì)算裝置尤其能在線計(jì)算并監(jiān)控功率半導(dǎo)體的溫度，并在功率半導(dǎo)體內(nèi)超過臨界溫度時(shí)降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及有效功率輸入，以避免功率半導(dǎo)體過熱。該計(jì)算裝置可以是單片計(jì)算器，如微處理控制器或多片計(jì)算器，尤其是一種單板計(jì)算機(jī)或自動(dòng)化裝置。在設(shè)計(jì)自動(dòng)化裝置時(shí)尤其可考慮存儲(chǔ)可編程控制裝置、VME數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)或工業(yè)PC系統(tǒng)。在這種情況下，可有利地在一個(gè)硬件平臺(tái)上對(duì)功率半導(dǎo)體，或更確切地說是它的絕緣層的溫度進(jìn)行計(jì)算和監(jiān)控，在此硬件平臺(tái)上已經(jīng)執(zhí)行了其它對(duì)于變頻器或工業(yè)設(shè)備部件的控制或調(diào)節(jié)任務(wù)。該計(jì)算裝置最好還具有一個(gè)圖3所示的門電路或一個(gè)用來進(jìn)行必要的計(jì)算操作的ASIC(專用集成電路)。
通過本發(fā)明的裝置，變頻器的功率半導(dǎo)體明顯地較之用于已公開的工業(yè)設(shè)備部件的電驅(qū)動(dòng)裝置能更好地得以充分利用。其中，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置尤其適用于在1-20MW(兆瓦)，最好是2-10MW功率范圍的驅(qū)動(dòng)，或者更確切地說，適用于2-30MW，最好是4-20MW功率范圍的沖擊負(fù)載。對(duì)于這種形式的驅(qū)動(dòng)裝置，變頻器的更好利用導(dǎo)致明顯節(jié)約更多費(fèi)用。在本發(fā)明具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施形式中，功率半導(dǎo)體的溫度，或者更確切地說，功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度依照功率半導(dǎo)體內(nèi)開關(guān)損耗和/或通流損耗來計(jì)算。該計(jì)算最好依照流過功率半導(dǎo)體的電流、功率半導(dǎo)體的開關(guān)狀態(tài)、功率半導(dǎo)體的開/關(guān)轉(zhuǎn)換和參數(shù)完成。這些量值被證明對(duì)于功率半導(dǎo)體內(nèi)絕緣層溫度的精確計(jì)算是尤其具有優(yōu)點(diǎn)的。此外，功率半導(dǎo)體，或者更確切地說，功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度最好依照環(huán)境溫度，或者更確切地說，當(dāng)用冷卻劑冷卻功率半導(dǎo)體時(shí)依照冷卻劑溫度來計(jì)算。
本發(fā)明驅(qū)動(dòng)裝置的變頻器也可設(shè)置成空氣冷卻的變頻器，其中，令人驚奇的是，對(duì)于空氣冷卻的變頻器而言，其功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度也可精確算出。
在本發(fā)明具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施形式中，功率半導(dǎo)體的溫度，或者更確切地說功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度借助功率半導(dǎo)體的一個(gè)熱等效電路來計(jì)算。其中，相鄰的部件，尤其是與功率半導(dǎo)體接觸的部件最好納入該熱等效電路內(nèi)。這種形式的部件也可是其它半導(dǎo)體或構(gòu)件，如冷卻體。
在本發(fā)明的其它具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施形式中，功率半導(dǎo)體或者更確切地說功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度被預(yù)先計(jì)算。
此外，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)裝置與三相電流電機(jī)相串聯(lián)被證明是尤其具有優(yōu)點(diǎn)的，即在該串聯(lián)電路中，三相電流電機(jī)具有兩側(cè)由變頻器供電的開路繞組。
此外，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)尤其適用于軋鋼機(jī)機(jī)座的驅(qū)動(dòng)。
下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，附圖中

圖1所示為本發(fā)明驅(qū)動(dòng)裝置在一軋鋼機(jī)中的應(yīng)用；圖2所示為按照本發(fā)明計(jì)算功率半導(dǎo)體的溫度，或者更確切地說其絕緣層溫度的函數(shù)關(guān)系；圖3所示為用于確定三點(diǎn)-電壓中間電路-變頻器的功率半導(dǎo)體溫度的運(yùn)算器；圖4所示為功率半導(dǎo)體可充分利用性的特征曲線。
圖1示出本發(fā)明驅(qū)動(dòng)裝置用于一軌鋼機(jī)列的情況。軋件103在由電機(jī)99、100、101、102驅(qū)動(dòng)的軋機(jī)機(jī)座104、105、106、107內(nèi)被軋制。這些電動(dòng)機(jī)99、100、101、102分別借助一個(gè)變壓器91、92、93、94和一個(gè)變頻器95、96、97、98由供電網(wǎng)90供電。
變頻器95、96、97、98的功率半導(dǎo)體溫度依照流過變頻器95、96、97、98的電流在一計(jì)算系統(tǒng)50內(nèi)計(jì)算。計(jì)算系統(tǒng)50為此從變頻器95、96、97、98獲得測(cè)量值51、52、53、54或等效值。計(jì)算系統(tǒng)50對(duì)變頻器95、96、97、98產(chǎn)生控制或調(diào)節(jié)命令55、56、57、58，這些控制指令尤其涉及電機(jī)99、100、101、102的額定轉(zhuǎn)速。計(jì)算系統(tǒng)50此外監(jiān)控變頻器95、96、97、98的功率半導(dǎo)體溫度。當(dāng)變頻器95、96、97、98的功率半導(dǎo)體中的一個(gè)內(nèi)部達(dá)到臨界溫度時(shí)，所有電動(dòng)機(jī)99、100、101、102的額定轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，因此不會(huì)導(dǎo)致有關(guān)的功率半導(dǎo)體過熱。計(jì)算系統(tǒng)50此外還具有一個(gè)主計(jì)算機(jī)和一個(gè)如上述本發(fā)明技術(shù)方案中的計(jì)算裝置。該主計(jì)算機(jī)和計(jì)算裝置可設(shè)計(jì)成分離的硬件單元或一個(gè)硬件單元。
圖2示出了計(jì)算功率半導(dǎo)體或其絕緣層溫度的函數(shù)關(guān)系。為此，借助一個(gè)開關(guān)損耗計(jì)算器10依照開/關(guān)轉(zhuǎn)換6算出開關(guān)損耗12。此外，借助一個(gè)通流損耗計(jì)算器11依照功率半導(dǎo)體的電流方向及強(qiáng)度7、開關(guān)狀態(tài)8和參數(shù)9計(jì)算通流損耗13。依照開關(guān)損耗12、通流損耗13及環(huán)境或冷卻劑溫度14并借助一個(gè)熱等效電路圖16求得功率半導(dǎo)體溫度15。熱等效電路圖16包括例如載體材料、半導(dǎo)體外套、冷卻體等的熱模擬。
圖3示出了一個(gè)用于計(jì)算三點(diǎn)電壓中間電路變頻器的半導(dǎo)體溫度的運(yùn)算器。該運(yùn)算器具有一個(gè)通流損耗運(yùn)算器20、一個(gè)通流損耗位置運(yùn)算器21、一個(gè)開關(guān)損耗運(yùn)算器22及一個(gè)熱等效電路圖23。借助開關(guān)損耗運(yùn)算器22求出變頻器電路中單個(gè)功率半導(dǎo)體的接通及斷路轉(zhuǎn)換，由此可得出功率半導(dǎo)體內(nèi)的開關(guān)損耗。借助通流損耗位置運(yùn)算器21，由變頻器內(nèi)功率半導(dǎo)體的電流方向和開關(guān)狀態(tài)求得，哪個(gè)功率半導(dǎo)體是有電流通過的和在哪個(gè)中產(chǎn)生通流損耗。借助通流損耗強(qiáng)度運(yùn)算器20，由電流強(qiáng)度和特征功率半導(dǎo)體參數(shù)確定通流損耗。在功率半導(dǎo)體絕緣層內(nèi)產(chǎn)生的損耗通過硅載體材料、載體外套、冷卻體等流散到冷卻劑或周圍空氣中。在此，所有這些組份都具有熱阻和熱容，由此產(chǎn)生一列熱時(shí)間常數(shù)，這些時(shí)間常數(shù)對(duì)絕緣層的散熱及其隨時(shí)間的溫度變化負(fù)有責(zé)任。該熱時(shí)間常數(shù)在一熱等效電路圖23中被模擬，通流損耗、開關(guān)損耗和冷卻劑或環(huán)境溫度數(shù)值作為輸入?yún)?shù)被送入該等效電路內(nèi)，而它的輸出參數(shù)為半導(dǎo)體絕緣層溫度。圖3中符號(hào)代表如下含義FWD1、...、FWD4三點(diǎn)反相換流器的單相的反轉(zhuǎn)二級(jí)管MPD5，MPD6 三點(diǎn)反相換流器的單相的中點(diǎn)二級(jí)管GTO1，…，GTO4，GTOsi. 實(shí)際電流Pon由半導(dǎo)體內(nèi)接通過程引起的損耗Poff由半導(dǎo)體內(nèi)斷路過程引起的損耗Pα(MPD)MPD中的通流損耗Pα(GTO)GTO中的通流損耗Prr(MPD)MPD中斷路損耗Prr(FWD)FWD中斷路損耗PGTOGTO中總損耗PeGTO中開關(guān)總損耗＝(Pon+Poff)PFWD1、…PFWD4FWD總損耗rdiff(GTO)GTOs及FWDs(在所舉例中)的微分電阻rdiff(MPD)MPD的微分電阻TJxxxxxxxx的接合溫度Z1，…，Z5由熱阻和熱容組合成的熱阻抗圖4示出了一整流器的可能超載2與其預(yù)加負(fù)載1的依賴關(guān)系。其中，附圖標(biāo)記3表示在超載1秒時(shí)預(yù)加負(fù)載與超載的依賴關(guān)系，附圖標(biāo)記4表示超載10秒時(shí)預(yù)加負(fù)載與超載的依賴關(guān)系，而附圖標(biāo)記5表示超載30秒時(shí)預(yù)加負(fù)載與超載的依賴關(guān)系。因此，例如對(duì)于預(yù)先確定的操作-暫停加載周期而言，變頻器相應(yīng)地允許以持續(xù)極限功率的80％作為預(yù)加負(fù)載并以長(zhǎng)達(dá)10秒鐘的持續(xù)極限功率的140％作為超載被驅(qū)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種用于工業(yè)設(shè)備部件，尤其是原材料工業(yè)，如軋鋼廠的設(shè)備部件的驅(qū)動(dòng)裝置，其具有至少一個(gè)尤其是兆瓦范圍的電動(dòng)機(jī)和至少一個(gè)帶有功率半導(dǎo)體的變頻器，借助該變頻器，電動(dòng)機(jī)與一個(gè)供電網(wǎng)相聯(lián)，其中，該變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和/或有效功率輸入，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)裝置具有一個(gè)計(jì)算裝置，該計(jì)算裝置尤其在線計(jì)算并監(jiān)控功率半導(dǎo)體或者更確切地說功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度并在功率半導(dǎo)體內(nèi)超過臨界溫度時(shí)降低電動(dòng)機(jī)(99、100、101、102)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和/或有效功率輸入，以避免功率半導(dǎo)體過熱。
2.按照權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，計(jì)算裝置被設(shè)計(jì)成依照半導(dǎo)體內(nèi)的開關(guān)損耗和/或通流損耗來計(jì)算功率半導(dǎo)體或者更確切地說功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，計(jì)算裝置被設(shè)計(jì)成依照下面數(shù)值中的至少一個(gè)來計(jì)算功率半導(dǎo)體或者更確切地說功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度-流過功率半導(dǎo)體的電流，-功率半導(dǎo)體的開關(guān)狀態(tài)，-功率半導(dǎo)體的接通及斷路轉(zhuǎn)換，-功率半導(dǎo)體參數(shù)。
4.按照權(quán)利要求3所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，計(jì)算裝置被設(shè)計(jì)成依照下面數(shù)值來計(jì)算功率半導(dǎo)體或者更確切地說功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度-流過功率半導(dǎo)體的電流，-功率半導(dǎo)體的開關(guān)狀態(tài)，-功率半導(dǎo)體的接通及斷路轉(zhuǎn)換，-功率半導(dǎo)體參數(shù)。
5.按照權(quán)利要求1、2、3或4所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，計(jì)算裝置被設(shè)計(jì)成依照環(huán)境溫度或在用冷卻劑冷卻功率半導(dǎo)體時(shí)依照冷卻劑溫度來計(jì)算功率半導(dǎo)體或者更確切地說功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度。
6.按照權(quán)利要求1、2、3、4或5中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，計(jì)算裝置被設(shè)計(jì)成借助一個(gè)功率半導(dǎo)體的熱等效電路及可能的相鄰部件，如冷卻體來計(jì)算功率半導(dǎo)體或功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度。
7.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，計(jì)算裝置被設(shè)計(jì)成預(yù)先計(jì)算功率半導(dǎo)體或功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度。
8.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，變頻器(95、96、97、98)被設(shè)計(jì)成帶有三點(diǎn)電路式直流電壓中間電路的變頻器(95、96、97、98)。
9.按照權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，變頻器(95、96、97、98)被設(shè)計(jì)成帶有n點(diǎn)電路式直流電壓中間電路的變頻器(95、96、97、98)，其中n大于5。
10.按照權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，功率半導(dǎo)體被設(shè)計(jì)成GTO′s，即閘門電路斷開閘流晶體管形式。
11.按照權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，變頻器(95、96、97、98)具有可斷路功率半導(dǎo)體，它們被設(shè)計(jì)成MCT′S，即MOS(金屬-氧化物半導(dǎo)體)控制閘流晶體管形式。
12.按照權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，變頻器(95、96、97、98)具有可斷路功率半導(dǎo)體，它們被設(shè)計(jì)成功率晶體管，尤其是IGBT′s，即絕緣門電路雙極晶體管形式。
13.按照權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于，功率半導(dǎo)體被設(shè)計(jì)成逆向傳導(dǎo)的。
14.一種帶有一個(gè)或多個(gè)軋機(jī)機(jī)座(104、105、106、107)、用于軋制軋件(103)，尤其是軋帶的軋鋼機(jī)，其特征在于，至少一個(gè)軋機(jī)機(jī)座由上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。
15.按照權(quán)利要求14所述的軋鋼機(jī)，其特征在于，多個(gè)軋機(jī)機(jī)座，尤其是所有的軋機(jī)機(jī)座(104、105、106、107)由權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。
16.按照權(quán)利要求15所述的軋鋼機(jī)，其特征在于，它具有一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)(50)，該計(jì)算系統(tǒng)在軋鋼機(jī)變頻器(95、96、97、98)的功率半導(dǎo)體內(nèi)超過臨界溫度時(shí)降低所有電動(dòng)機(jī)(99、100、101、102)的轉(zhuǎn)速，以避免功率半導(dǎo)體過熱。
17.一種控制或調(diào)節(jié)尤其是上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的驅(qū)動(dòng)裝置的方法，其特征在于，對(duì)功率半導(dǎo)體或功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度進(jìn)行計(jì)算，尤其是在線計(jì)算，對(duì)功率半導(dǎo)體或功率半導(dǎo)體絕緣層的溫度在所算得的數(shù)值基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)功率半導(dǎo)體內(nèi)超過臨界溫度時(shí)，降低電動(dòng)機(jī)(99、100、101、102)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和/或功率輸入，以避免功率半導(dǎo)體過熱。
18.一種鋼材，其特征在于，它借助權(quán)利要求14、15或16所述的軋鋼機(jī)被軋制。
全文摘要
一種用于工業(yè)設(shè)備部件,尤其是原材料工業(yè),如軋鋼廠的設(shè)備部件的電驅(qū)動(dòng)裝置,它具有至少一個(gè)尤其是兆瓦范圍的電動(dòng)機(jī)和至少一個(gè)帶有功率半導(dǎo)體的變頻器,電動(dòng)機(jī)借助該變頻器與供電網(wǎng)相聯(lián),其中,該變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)矩和/或有效功率輸入。
文檔編號(hào)H02H7/085GK1192082SQ9810438
公開日1998年9月2日 申請(qǐng)日期1998年1月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月31日
發(fā)明者漢斯－彼得·蒂默特 申請(qǐng)人:西門子公司