Aufzug mit motorischem und generatorischem Netzbetrieb

Die Hersteller von Aufzugssystemen stehen unter dem Druck, ihre Aufzugsanlagen netzfreundlich, d.h. mit geringsten Netzrückwirkungen zu betreiben. Auch sollen die dafür erforderlichen Einspeisegeräte wartungsärmer und robuster bei Netzstörungen sein als herkömmliche Geräte. Durch Rückspeisung der regelmäßig bei Aufzügen auftretenden Bremsenergie sollen auch die Energiekosten gesenkt werden. Die IAM GmbH wurde 1995 von der Schindler Aufzüge AG mit einer Entwicklung beauftragt, die diese Kriterien berücksichtigt. Inzwischen befindet sich die Lösung in den modernsten Aufzügen der Firma Schindler.

Die Vorgaben der Schindler Aufzüge AG führten zur Entwicklung eines digital geregelten Einspeisegerätes, das sich bezüglich der Netzrückwirkungen weit unter den strengsten Normen bewegt und dessen Steuerung praktisch wartungsfrei funktioniert, weil alle einmal eingestellten regelungstechnischen Parameter durch die Digitalisierung stabil bleiben, d.h. unabhängig von Umgebungstemperatur oder Alterung der Bauelemente sind. Weiter werden die zum Teil erheblichen Bremsenergien in das Netz zurückgespeist. Die Regelung ist äußerst robust gegenüber Netzstörungen aller Art. Die Fertigungskosten für die Steuerkarten sind zusätzlich sehr günstig, weil die Steuerkarte für den feldorientiert geregelten Aufzugsmotor weitestgehend identisch aufgebaut werden konnte. Die Steuerkarten sind im Layout identisch und unterscheiden sich geringfügig nur in ihrer Bestückung.
Bild 1 zeigt die Konfiguration dieser rückspeisefähigen Antriebseinheit.


Bild 1: Konfiguration der Antriebseinheit

Netzstörungen aller Art werden beherrscht

In Europa werden die Spannungsänderungen auf maximal 10 % beschränkt. In Fernost gibt es jedoch viele Schwachnetze mit Spannungsänderungen weit über diesem Wert. Der hier vorgestellte Hochsetzsteller kann diese Spannungsschwankungen ausgleichen und dem Antriebsmotor die erforderliche Spannung bereitstellen.

Weiter sind kurzzeitige Überspannungen und Spannungseinbrüche nicht selten. Sie weisen eine Dauer von wenigen Millisekunden auf, haben aber eine erhebliche Differenz zum Nennwert und verfügen über sehr kleine Anstiegszeiten. Störungen dieser Art sind für eine ungesteuerte Dioden-Brücke kein Problem. Für einen gesteuerten Stromrichter ist es dagegen nicht so einfach und es wurde festgelegt, dass er mindestens für die Dauer von 10 ms (halbe Netzperiodendauer) stabil bleibt, bevor er sich abschaltet.

Durch das Umschalten vom Netz auf ein Notstromaggregat und zurück kann es zu erheblichen Phasensprüngen kommen, die weder Instabilität noch Überströme des Einspeisegerätes auslösen. Ebenso sind Phasenausfälle und unsymmetrische Phasenspannungen kein Problem für das Einspeisegerät.

Geringste Netzrückwirkungen erfüllen jede Norm

Durch die Regelung auf sinusförmige Ströme werden die Netzrückwirkungen des Gerätes erheblich reduziert, so dass man praktisch sagen kann, dass das vorgefundene Netz in seiner Spannungsform nicht verändert wird. Das Einspeisegerät am Netz verhält sich unter Last wie ein dreiphasiger symmetrischer ohmscher Widerstand. Im Gegensatz zu den noch in zahlreichen Geräten befindlichen ungesteuerten Brückengleichrichtern, die die Spannungskuppen des Netzes begradigen (Oberwellengehalt steigt), weil sie dem Netz immer nur Strom in den Spannungsmaxima entnehmen können, entnimmt das Einspeisegerät im gesamten Spannungsverlauf kontinuierlich Strom und verursacht lediglich Oberwellen, die im gesamten Spektrum unter 1 % liegen. Damit genügt es den strengsten Normen. Der Leistungsfaktor liegt so dicht bei 1, dass man ihn praktisch mit 1 gleichsetzen kann. Zwischen Einspeisen und Rückspeisen kann kein Qualitätsunterschied hinsichtlich der Stromform festgestellt werden. Durch eine einstellbare Phasenverschiebung in Verbindung mit einer Vorgabemöglichkeit für die Blindstromamplitude, lässt sich eine Blindleistung einstellen, die das Gerät zu einem Phasenschieber werden lässt. Ein Verbraucher kann damit seine Blindleistungsentnahme am Netzanschluss kompensieren und so kostengünstiger Energie aus dem Netz entnehmen.

Das Regelungsverfahren

Bild 2 zeigt, dass das Einspeisegerät als Regelstrecke lediglich die Induktivität der Netzdrossel mit der Netzspannung als Störgröße beherrschen muss. Mittels einer PLL wird der umlaufende Winkel gG der Netzspannung UL erfasst. Die Ströme werden gemessen und über eine Eingangstransformation in das mit der Netzspannung rotierende Koordinatensystem abgebildet (Bild 3). Durch die Korrektur des Winkels um p/2 entspricht der Strom IGd dem Blindstrom und IGq dem Wirkstrom des Einspeisegerätes bezüglich des Netzes (Bild 2). Diese Ströme lassen sich durch zwei unabhängige Stromregler einprägen (Bild3) und damit lässt sich dann der Phasenwinkel j zwischen Strom IG und Netzspannung UL einprägen. Im Normalfall wird der Blindstrom IGd auf Null geregelt, was dann dazu führt, daß der Stromzeiger IG mit der Netzspannung UL zusammenfällt (j = 0). Die Zwischenkreisspannung wird nur über den Wirkstrom IGq geregelt (Bild 3). Entsprechend gibt der Spannungsregler für den Zwischenkreis den Sollwert für den Querstrom IGq vor. Die Zwischenkreisspannung wird auf einen Wert von 800 V geregelt.


Bild 2: Spannungen und Ströme am Einspeisegerät

Das Besondere an der Regelungsstruktur in Bild 3 ist, dass durch die Transformation der Koordinaten mit dem Netzwinkel, die Strom- und Spannungsregler im stationären Zustand nur noch Gleichgrößen regeln müssen. Die Vorsteuerung der gemessenen Netzspannungen auf die Ausgänge der Stromregler führt dazu, dass die Stromregler nur noch den Spannungsabfall über den Netzdrosseln stellen müssen. Das erlaubt eine aus Gründen der Sicherheit wünschenswerte niedrige Begrenzung der Stromreglerausgänge. Fällt eine Netzspannung durch Störung kurzzeitig aus, fällt auch die Vorsteuerung dieser Spannung aus und es erfolgt kein unerwünschter Stromanstieg in der Drossel.


Bild 3: Netzwinkelorientierte Regelung des Einspeisegerätes

Realisierung

Die Regelungsalgorithmen wurden auf dem dSMC® implementiert. Dieser Signalprozessor verfügt über eine in der IAM GmbH entwickelte Sprache, die an die Erfordernisse der Regelung von elektrischen Antrieben angepasst wurde. Bei dieser Sprachentwicklung flossen Anfang der 90 Jahre meine Erfahrungen im Programmieren des Motorola DSP56000 mit ein. Der dSMC® (früher Vecon®) ist mittlerweile sehr verbreitet im Einsatz. Die Regelung wird mit einer Schaltfrequenz von 10 kHz und einer Abtastfrequenz von 20 kHz betrieben. Die Messkanäle für die Netzspannungen werden alternativ für die Spuren eines Sinusgebers verwendet, um mit der gleichen Steuerkarte die Regelung eines Asynchronmotors realisieren zu können.

Eine ausführliche Beschreibung der Entwicklung mit ausführlicher Dokumentation des Störverhaltens und der Harmonischen findet sich in folgender gemeinsam mit der Schindler Aufzüge AG gemachten Veröffentlichung:

Ehrenberg, J.; Droßmann, J.; Fan, Z.; Eugster, R.:
Aufzugsteuerung vollständig digitalisiert.
Elektronik 1997, Heft 12, Seite 72, 93 ... 100