Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung einer an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Drehstrommaschine Die Erfindung betnifft eine Anordnung zur Steue rung der Drehzahl und Drehrichtung einer an, seine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Drehstrom maschine mit einem Stromrichter, der aus einer Ge genparallelschaltung von zwei Drehsstrombrücken schaltungen besteht, von denen eine gesteuerte Hauptstromventile enthält, und der mit einer Einrich tung zur Stromkommutienung versehen ist und der Maschine Spannungen veränderberer Grösse, verän derbarer Freqiuenz und umkehrbarer Drehfeldrich tung liefert.
Da die Anordnung sowohl zur Speisung einer Synchronmaschine hals auch seiner Asynchron maschine vorgesehen ist, muss der Stromrichter Blindstrom führen können, d. h. er muss zu einem von der Steuereinrichtung vorgegebenen Zeitpunkt den in einem psteuerten Ventil fliessenden Strom löschen und den in der Maschinienzuleitung flessen- den Strom auf lein anderes Ventil kommutieren. Der Stromrichter eist deshalb mit Einrichtungen für eine sogenannte Zwangskommutierung versehen.
Essend bereits Antriebe mit einem Wechselrich ter bekannt, bei denen für die Zwangskommutierung aus Kondensatoren und Drosseln bestehende Schwingkreise vorgesehen sind, und bei denen die Kommutierung durch Zünden eines der gesteuerten Venile eingeleitet wund. Bei der Kommutierung schwingt die Energie des Kommutierungskondense- tors in die Drossel. Sie kann jedoch nicht in den Kon densator zurückschwingen und diesen umladen, da die Drossel von dem neu gezündeten Ventil und dem Ventil der gleichen Phase der urgesteuerten Brük- kenschaltung, dem sogenannten Blindstromventil, Überbrückt wird. Die in der Drossel gespeicherte Energie treibt einen Kreisstrom über diese Ventile.
In dieser Anordnung wird somit die Energie des Kom- mutierungskondensators in Wärme aumgesetzt. Die Folge ist sein schlechter Wirkungsgrad und eine zu sätzliche Belastung eder Ventile durch den Kreisstrom. Zur Drehzahlsteuerung einer Asynchronmaschine mit einer derartigen Anondnung eist es notwendig, das Kippmoment der Maschine unabhängig von eder Fre quenz mindestens annähernd konstant zu halten. Folglich müssen Grösse und Frequenz der Spannung in linearer Abhängigkeit geführt werden. Der Kom mutierungskondensator muss so bemessen sein, dass seine Ladung ausreicht, während der Löschzeit des Ventils den Ventilstrom aufzunehmen. Da aber die Ladung des Kondensators von der Spannung dm Gleichstromkreis abhängt, so ist für eine konstante Ladung eine in, Abhängigkeit von der Frequenz und damit von edier Spannung veränderbame Kapazität er forderlich.
In seiner weitemen bekannten Anordnung zur Um formung von Gleichstrom in Wechsel- oder Dreh strom mittels eines netzgeführten W echselrichters ein Driehstrom-Brückenschaltung wird dme Zwangskom mutierung durch eine zusätzliche Einrichtung ermög licht, die aus zwei gesteuerten Ventilen, sogenannten Kommutierungsventilen, und seinem Kommutierungs kondensator besteht. Die Reihenschaltung der beiden Kommutierungsstromtore ist dem Ausgang der Brük- kenschaltung parallelgeschaltet. Die Verbindungslei tung dieser Melden Ventile ist unter Zwischenschal tung des Kommutiemungskondensiators mit einem Mit telpunktsleiter der Spannungsquelle verbunden.
In dieser Anordnung wird die Stromkommutierung er zwungen durch die im gegebenen Augenblick selbst tätig passend gepolte Kondensatorspannung, die über iednies ider #bie,üdein K ommutlerungsventile Iden Koanmu- tnenungsstrom zum Löschen id-es stromführenden Hauptventils hervorruft. Für diese Steueranordnung ist ein gut geglätteter Gleichstrom erforderlich, weil der Kondensator durch den Gleichstrom ent- und um geladen wind. Ferner ist die Kommutierungszeit ab hängig von der Grösse des Stromes.
Die Anordnung ist nicht geeignet zur Speisung einer Drehstromma schine.
Diese Nachteile könnten dadurch weitgehend ver mieden werden, dass erfindungsgemäss die Einrich tung zur Stromkommutierung laus einer zwischen den beiden Polen der gesteuerten Brückenschaltung ange ordneten Reihenschaltung von zwei in Flussrichtung der Hauptstromventile gepolten, gesteuerten Kommu tierungsventilen, ,deren Verbindungsleitung untrer Zwischenschaltung eines Kommutierungskondensa- tors en einen Mittelpunktsleiter der Gleichspannungs quelle angeschlossen isst, und zwei in den Gleich stromleitungen zwischen den beiden Brückenschal tungen angeordneten Kommutierungsdrosseln be steht, die über eine Reihenschaltung von zwei in Sperrichtung der Hauptsiromventile gepolten Begren zungsventilen verbunden sind,
deren Verbindungslei tung an den Mittelpunktsleiter der Gleichspannungs quelle angeschlossen ist. Die Begrenzungsventile kön nen vorteilhaft gesteuerte Ventile sein, die gezündet werden, sobald die Sperrspannung en den Kommutie rungsventilen einen vorbestimmten Wert erreicht. Im Kommutierungskondensator steht zweckmässig unab hängig von der Spannung im Gleichstromzwischen kreis, immer idie gleiche Ladung für den Kommutie- nungsvorgang zur Verfügung.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein umrichtergespeister Drehstromantrieb dargestellt.
Fig. 1 zeugt eine schematische Darstellung der Anordnung. In Fig.2 ist ein Kommutierungsvorgang in seinem Diagramm veranschaulicht.
Nach Fig. 1 ist eine Drehstrommaschine 2, die eine Drehstromsynchronmaschine oder -asynchron- maschine sein kann, über einen Stromrichter 3, feinen Gleiichstromzwischenkreis, einen Gleichrichter 23 mit gesteuerten Ventilen 24 und 25 in jedem Brücken zweig und einem Stromrichtertransformator 33 mit einer Sekündärwicklung 31 und einer Primärwick lung 32 en ein Drohstromnetz mit den Phasen R, S und T ,angeschlossen. Der Stromrichter 3 besteht aus zwei gegznparallel geschalteten Brückenanordnun gen, von denen eine gesteuerte Ventile 4 biss 9 ent hält, die vorzugsweise Einkristall-Hälbleiterventile, insbesondere Siliziumventile, sein können, die wegen ihrer kurzen Freiwendezeit verhältnismässig hohe Frequenzen der Maschinenspannung ermöglichen.
Die zweite Anordnung enthält ungesteuerte Ventile 10 bis 15, sogenannte Blindstromventile. Zur Kom mutierung des Stromes der gesteuerten Ventile 4 bis 9 des Stromrichters 3 ist eine Einrichtung vorgese hen, die laus zwei Kommutierungsdrosseln 16 und 17, zwei gestauerten Kommutierungsventilen 18 und 19, einem Kommutierungskondensator 20 und zwei Be- enzungsventilen 21 und 22, die zur Begrenzung der <B>g</B> p Spannung im Kommutierungskreis dienen, besteht. Der Kommutierungskondensator 20 und die Verbin dungsleitung der Begrenzungsventile 21 und 22 sind mit dem Sternpunkt der Tramsformatorsekundärwick lung 31 verbunden.
Im Gleichstromzwischenkreis ist eine Glättungseinrichtung vorgesehen, die aus Glät tungsdrosseln 26 und 27 und einer zwischen den Gleichstromleitungen angeordneten Reihenschaltung von zwei Kondensatoren 28 und 29 besteht, deren Verbindungsleitung mit dem Sternpunkt der Trans formatorsekundärwicklung 31 verbunden ist. Die Kapazität eins der Glättungskondensatoren 28 und 29 kann beispielsweise etwa 2 bis 3 Grössenordnun- gen grösser sein als die Kapazität des Kommutie- rungskondensators 20.
Zur Steuerung des Stromrichters 3 und des Gleichrichters 23 können bekannte Steuer- und/oder Regeleinrichtungen vorgesehen sein, die der Einfach heit halber In der Figur nicht dargestellt sind. Durch entsprechende Steuerung des Gleichrichters 23 wird die Spannung im Gleichstromzwischenkreis und damit die Grösse der dem Motor 3 vorgegebenen Spannung gesteuert. Die Frequenz der Motorspan nung wird durch die Taktfrequenz der Ventile des Stromrichters 3 und die Drehrichtung des Motors 3 durch die Reihenfolge der Stromführung der Ventile des Stromrichters 3 bestimmt. Die Gleichspannung kann vorteilhaft so gesteuert oder geregelt werden, dass der magnetische Fluss in der Maschine unabhän gig von der Frequenz und der Belastung der Maschine konstantgehalten wird.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Flussmessung mittels Hall- Sonden vorgesehen stein. Eine derartige Steuerung bewirkt ein konstantes Kippmoment der Maschine unabhängig von der Frequenz. E s kann aber auch die Grösse der Masohinenspannung konstantgehalten und ihre Drehzahl lediglich durch Änderung der Fre quenz gesteuert wenden, was dem Betrieb im Feld- schwächbetrieb hei Gleichstrommasehinen entspricht.
In Fig. 2 sind die Spannung U4 am beispielsweise gerade stromführenden Hauptventil 4 und die Span nung U20 sowie der Ladestrom I18 des Kommutie- rungskondensators 20 und der Strom I21 im Begren zungsventil 21 während einer Kommutierung des Stroms vom Ventil 4 auf das Ventil 5 schematisch dargestellt. Zur Zeit t0 führen die Hauptventile 4 und 9 sowie das Ventil 11 den Motorstrom, wie in der Figur durch Pfeile angedeutet ist. Die Spannung U4 )am Ventil 4 ist gleich seinem Spannungsabfall in Durchlassrichtung. Der Kommutierungskondensator ist auf -2Ug aufgeladen. Zur Zeit t1 wird der Kom mutierungsvorgang durch Zünden des Kommutie rungsventils 18 eingeleitet. Die Anodenspannung des Ventils 4 fällt auf die Kondensatorspannung -2Ug.
Die Induktivität ider Motorwicklunig hält den Strom -üb!-,)r idie Motorklemme U laufrecht, der Strom kom- mutieTt lauf dias Ventil 13, dessien Anod,enispannung -Ug beträgt. Idas Ventil 4 :
erlischt, s iinie Spannjung spriggt auf -Ug, ,das ist :die Differenzspannung zwi- schien Seiner schen seiner Anodenspannung -2Ug und der Katho denspannung -Ug. Während seine Kathodenspan nung entsprechend der Kathodenspannung des Blind stromventils 13 auf -Ug gehalten wird, steigt die Anodenspannung entsprechend dem im Schwing kreis, der aus Kondensator 20 und Drossel 16 gebil det ist, einsetzenden Ausgleichsvorgang an. Die Span nung des Kondensators 20, der durch den Ladestrom I18 umgeladen wird, steigt ebenfalls an.
Sobald die Kondensatorspannung U20 den Betrag +Ug über schreitet und damfit die Differenzspannung an der Drossel 16 positiv wird, schwingt die magnetische Energie der Drossel 16 in den Kondensator 20 zurück und der Ladestrom I18 nimmt üb. Der Zünd- zeitpunkt der Begrenzungsventile 21, 22 soll entspre chend einer zulässigen Spannung an den Kommutie rungsventilen 18 und 19 beispielsweise so gewählt sein, dass die Spannung U20 am aufgeladenen Kom mutierungskondensator 20 gleich dem doppelten Be trag der Gleichspannung Ug ist. Es können aber auch andere Spannungswerte gewählt wenden.
Sobald die Spannung in Durchlassrichtung am Kommutierungs ventil 19 den vorbestimmten Betvag erreicht hat, wind zur Zeit t2 das Begrenzungsventil 21 gezündet und damit die Aufladung des Kondensators 20 unterbro chen. Das Ventil 18 erlischt. Soll die Spannung am Kommutierungsventil 19 beispielsweise sauf den drei fachen Betrag der Gleichspannung Ug begrenzt wer- so wird der Kommutierungskondensator 20 auf +2Ug aufgeladen. Die Spannung am Ventil 19, an deren Kathode die negative Gleichspannung -Ug anliegt, beträgt dann 3 Ug. Die Verwendung von ge steuerten Begrenzungsventilen 21, 22 ermöglicht somit unabhängig von der Frequenz und der Grösse der Gleichspannung immer einte konstante Kondensa torladung für die Löschung der jeweils stromführen den Hauptventile.
Zur Zündung der Begrenzungsven tile kann beispielsweise eine einfache Anordnung vorgesehen sein, die saus je seiner den Kommutie rungsventilen 18 bzw. 19 parallelgeschalteben Rei henschaltung eines in Durchlassrichtung des Kommu tierungsventils gepolten Hilfsventils, den Primärwick lung eines Sbeuerübertragers, seines Widerstandes und eines Schaltelementes, dass bei Erreichen einer vorbe stimmten Spannung schaltet, beispielsweise eine Vierschichtdiode (Shockley-Diode). An die Sekundär wicklung dies Steuerübertragers kann die Zündelek- trode des entssprechenden Begrenzungsventils 21 bzw. 22 angeschlossen wenden. Der Stromimpuls des Steu erübertragers beim Schalten der Diode zündet das Begrenzungsventil. Mit der Zündung des Begren zungsventils 21 sinkt dessen Kathodenpotential auf Null.
Die in der Drossel 16 noch gespeicherte magne tische Energie, die in Fig.2 durch die unter der Kurve I21 schraffierte Fläche von 4 bis t3 veran schaulicht ist, entlädt sich mit einem Strom 41 geigen die positive Gleichspannung Ug in den Kondensator 28 und wird somit zurückgewonnen. Ein Kreisstrom kann nicht entstehen. Zur Zeit t3 ist der Kommutie rungsvorgang und der Energieaustausch beendet, das Strombegrenzungsventil 21 erlischt. Das in der Stromführung folgende Hauptventil, beispielsweise das Ventil 5, kann freigegeben werden. Dieses führt Strom, sobald der Strom im Ventil 11 Null geworden ist. Für die Ventile 7 bis 9 eder rechten Brückenhälfte erfolgt die Stromkommutierung entsprecheud mit Hilfe der Drossel 17 des Kommutierungsvenbils 19 und des Begrenzungsventils 22.
Sind anstelle der in Fig. 1 dargestellten gesteuer ten Begrenzungsventile 21 und 22 ungesbeuerte Ven tile vorgesehen, so wird die Spannung des Kondensa- tors 20 immer auf den doppelten Betrag der Gleich spannung Ug begrenzt. Ungesteuerbe Begrenzungs- ventike können beispielsweise verwendet wenden, wenn nur sein geringer Frequenzbereich der Maschi nenspannung erfonderlich ist.
Im Ausführungsbeispiel ist als Gleichspannungs quelle ein gesteuerter Gleichrichter gewählt. Es kann jedoch beispielsweise auch ein mittels eines Gleich- stromgenerators oder saus einem Gleichstromnetz ge speister Impulswandler (Chopper) zur Steuerung der Gleichspannung vorgesehen sein. Der dargestellte MotorantAeb ist nur für eine Drehmomentrichtung vorgesehen. Da mit dem An trieb auch sein elektrischer Bremsbetrieb durchgeführt werden soll, so muss eine Energierückspeisung er möglicht wenden. Zu diesem Zweck kann der in Fig. 1 dargestellbe gesteuerte Gleichrichter 23 bei spielsweise durch eine Zweistromrichterschaltung ersetzt wenden.