DD155711A3

DD155711A3 - Indirekter umrichter zur stellung der drehzahl von asynchronmaschinen

Info

Publication number: DD155711A3
Application number: DD80221373A
Authority: DD
Inventors: Siegfried Thamm; Klaus-Peter Wildfang
Original assignee: Siegfried Thamm; Wildfang Klaus Peter
Priority date: 1980-05-27
Filing date: 1980-05-27
Publication date: 1982-06-30
Also published as: CS302681A1; BG37365A1; DE3113490A1; PL231345A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen indirekten Umrichter zur Stellung der Drehzahl von Asynchronmaschinen. Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Aufwand fuer Glaettungsmittel, die bei der Gestaltung eines Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreises zur Spannungsstabilisation bzw. zur Stromaufpraegung erforderlich sind, klein halten zu koennen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen indirekten Umrichter zur Drehzahlstellung von Asynchronmaschinen zu schaffen, der gestattet, zur Realisierung eines uneingeschraenkten Drehzahlbereiches die Groesse des Mittelwertes der dem maschinenseitigen Stromrichter aufgepraegten Zwischenkreisspannung bzw. des dem maschinenseitigen Stromrichter aufgepraegten Zwischenkreisstromes ueber einen ebenfalls uneingeschraenkten Stellbereich zu variieren, ohne dass die Groesse der Spannung der Kommutierungskondensatoren des maschinenseitigen Stromrichters und damit dessen Kommutierungsfaehigkeit durch die Groesse des Mittelwertes der dem maschinenseitigen Stromrichter aufgepraegten Zwischenkreisspannung bzw. des dem maschinenseitigen Stromrichter aufgepraegten Zwischenkreisstromes beeinflusst wird. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest,dass dem maschinenseitigen Stromrichter eine zeitlich periodisch veraenderliche Zwischenkreisspannung aufgepraegt wird, deren Spitzenwert im wesentlichen konstant und deren Mittelwert stellbar ist.

Description

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Indirekter Umrichter zur Stellung der Drehzahl von Asynchronmaschinen _m

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen indirekten Umrichter zur Stellung der Drehzahl von Asynchronmaschinen

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zwischenkreisumrichter, auch als indirekte Umrichter bezeichnet, werden bekanntermaßen zur Stellung der Drehzahl von Asynchronmaschinen benutzt, indem sie, den Betriebsbedingungen der Asynchronmaschine entsprechend, eine Ausgangsspannung oder einen Ausgangsstrom variabel gestaltbarer Grundschwingungsamplitude und Grundschwingungsfrequenz erzeugen. Die Arbeitsweise des Zwischenkreisumrichters basiert auf jeweils einem von zwei bekannten grundsätzlichen Verfahren, die durch die bestimmende Größe im Gleichst rom- Z wischenkreis gekennzeichnet sind. Entweder arbeitet der Umrichter mit einem eingeprägten Strom im Zwischenkreis, oder die Gleichspannung im Zwischenkreis wird konstant gehalten, so daß dem maschinenseitigen Stromrichter eine Spannung aufgeprägt wird«, Bei letztgenannter Variante muß dann in bekannter Art

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und Weiae (Anschnittssteuerung, Pulsateuerung u.a.) die Amplitude und Frequenz der Grundschwingung der Ausgangsspannung durch einen selbstgelöschten Stromrichter gestellt werden.

Der Vorteil einer Anordnung mit konstanter Zwischenkreisspannung ist darin zu sehen, daß eine konstante oder annähernd konstante Zwischenkreisspannung technisch und ökonomisch günstig, beispielsweise durch ungesteuerte Gleichrichtung aus einem vorgegebenen ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz bereitgestellt werden kann. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß für den selbstgelöschten maschinenseitigen Stromrichter ein erhöhter technischer und ökonomiacher Aufwand erforderlich ist. So werden an die Parameter der Steuereinrichtung sowie an die dynamischen Eigenschaften der leistungselektronischen Bauelemente dieses Stromrichters und der passiven Bauelemente seiner Kommutierungseinrichtung sehr hohe Anforderungen gestellt, wodurch der ökonomisch vertretbare Einsatz der nach diesem Verfahren arbeitenden Zwischenkreisumrichter bisher auf einige Sonderfälle beschränkt blieb. /BBC-Nachr. Bd. 46 (1964) S. 699 bis 721/

Um die Aufwendungen für den maschinenseitigen Stromrichter zu reduzieren, wendet man für dynamisch weniger anspruchsvolle Antriebe, wie z. B.: Spindelantriebe in der Textilindustrie, ein Verfahren an, bei dem die Zwischenkreisspannung in Grenzen gestellt wird und der maschinenseitige Stromrichter zur Speisung der Asynchronmaschine demzufolge nicht die Größe der Amplitude der Grundschwingung der Ausgangsspannung, sondern nur deren Frequenz zu stellen braucht, so daß der maschinenseitige Stromrichter durch einfache

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schaltungstechnische Konfigurationen realisierbar ist. /E u. M 84 (1967) H. 3, S. 99 bis 112/. . In solchem Falle ist die Zwischenkreisspannung am Eingang des maschinenseitigen Stromrichters im stationären Betrieb zeitlich konstant bzw. annähernd konstant, gegebenenfalls durch zusätzliche Speicherelemente, wie z. B. Kondensatorbatterie, geglättet. Die Grenze der Funktionsfähigkeit eines derartigen indirekten Umrichters ist durch die Verkleinerung der Zwischenkreisspannung gegeben, die bei gleichbleibender Größe der Kommutierungskondensatoren des selbstgelöschten maschinenseitigen Stromrichters seine Kommutierungsfähigkeit einschränkt, so daß in der Praxisanwendung allgemein kein größerer Drehzahlstellbereich der Asynchronmaschine als 1:2 bis 1:3 ökonomisch realisiert werden kann.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Zwischenkreisspannung in den vorgegebenen Grenzen stellbar. sein muß.

Arbeitet der indirekte Umrichter mit eingeprägtem Strom im Gleichstrom-Zwischenkreis, ist der maschinenseitige Stromrichter ebenfalls als selbstgelöschter Wechselrichter ausgeführt, der die Aufgabe hat, den eingeprägten Strom des Gleichstrom-Zwischenkreises mit stellbarer Frequenz auf die Stränge der Asynchronmaschine zu schalten. Dieser Stromwechselrichter läßt sich gegenüber dem Wechselrichter, der die Amplitude der Ausgangsspannung und deren Frequenz stellen muß, schaltungstechnisch mit einfacheren Mitteln bezüglich des Kommutierungsaufwandes realisieren /ETZ-A 96 (1975) H. 11, S. 520 bis 523/

Auch sind an die Ventile dieser Stromwechselrichter

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keine hohen dynamischen Anforderungen zu stellen, so daß keine Verwendung von sogenannten Frequenz-· thyristoren und schnellen Dioden erforderlich ist, sondern von sogenannten Netzthyristoren und langsamen Dioden.

Demgegenüber hat die Einprägung eines Zwischenkreisstromes einige Nachteile: .

- Pur die Stellung des eingeprägten Stromes ist eine Stromquelle erforderlich, die steuerbar sein muß.

- Wenn diese Stromquelle eine Stromrichterkombination ist, muß der Zwischenkreisstrom mit erheblichem Glattungsaufwand, beispielsweise mit Induktivitäten im Zwischenkreis, geglättet werden, damit die Kommutierungssicherheit des selbstgelöschten Wechselrichters gegeben ist.

- Durch die Kommutierung des den Wicklungen der Asynchronmaschine aufgeprägten Zwischenkreiastromes werden die Kommutierungseinrichtungen dieses Stromwechselrichters und damit auch seine aktiven Bau-

.elemente, wie z, B. Thyristoren und Dioden, spannungsmäßig stark beansprucht, wenn der Aufwand an Kommutierungskondensatoren und damit an Gewicht, Masse, Raum und Preis für den Stromwechselrichter in ökonomisch vertretbaren Grenzen sein soll.

Ziel der Erfindung "

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Aufwand für Glättungsmittel, die bei der Gestaltung eines Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreises zur Spannungsstabilisation bzw. zur Stromaufprägung erforderlich sind, klein halten zu können.

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Darlegung des Wesens der Erfindung;

- Der Erfindung liegt diB Aufgabe zugrunde, einen indirekten, Umrichter zur Drehzahl stellung von Asynchronmaschinen zu schaffen, der gestattet, zur Realisierung eines uneingeschränkten Drehzahlstellbereiches die Größe des Mittelwertes der dem maschinenseitigen Stromrichter aufgeprägten Zwischenkreisspannung bzw. des dem maschinenseitigen Stromrichter aufgeprägten Zwischenkreisstromes über einen ebenfalls uneingeschränkten Stellbereich zu variieren, ohne daß die Größe "der Spannung der Kommutierungskondensatoren des maschinenseitigen Stromrichters und damit dessen Kommutierungsfähigkeit durch die Größe des Mittelwertes der dem maschinenseitigen Stromrichter aufgeprägten Zwischenkreisspannung bzw. des dem maschinenseitigen Stromrichter aufgeprägten Zwischenkreisstromes beeinflußt wird.

- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dem maschinenseitigen Stromrichter eine zeitlich periodisch veränderliche Zwischenkreisspannung aufgeprägt wird, deren Spitzenwert im wesentlichen konstant und deren Mittelwert stellbar ist.

Ausführungsbeispiele

An Auaführungsbeispielen sei die Erfindung näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Zwischenkreisumrichter 1, bestehend aus einem netzseitigen Stromrichter 2, der bei motorischem Betrieb der Asynchronmaschine aus einem Drehstromnetz, allgemein aus einem ein- oder mehrsträngigen Wechselstromnetz 5 gespeist wird, einem Zwischenkreis 3 ohne Glättungseinrichtungen

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sowie einem maschinenaeitigen Stromrichter 4» der ein für den motorischen und generatorischen Betrieb einer Asynchronmaschine 6, notwendige Drehstromsystem erzeugt. Der netzseitige Stromrichter 2 sei in der Lage, eine Spannung an den Klemmen A-B des Zwischenkreises 3 zu erzeugen, deren zeitlicher Verlauf u_A_-g(t), dargestellt in Figur 2, folgende Merkmale besitzt:

- Die Funktion u_A__B(t) ist periodisch,

- der Spitzenwert U ist im wesentlichen konstant, -· der Mittelwert U ist stellbar.

In den Figuren 3, 4 und 5 sind drei verschiedene Schal-, tungsanordnungen als Beispiele für den netzseitigen Stromrichter 2 dargestellt:

Figur. 3a zeigt eine bekannte Anordnung für motorischen Betrieb der Asynchronmaschine, bestehend aus einem ungesteuerten Diodengleichrichter 7 und einem Gleichstrompulssteller 8, symbolisch als Schalter dargestellt. Die Form der Spannung an den Klemmen A-B des maschinenseitigen Stromrichters 4 entspricht dem in Figur 2a, b dargestellten Verlauf, wobei die Frequenz und das Tastverhältnis und dadurch die Größe des auf den Maximalwert

U bezogenen Mittelwertes U_m der Spannung u. r>(t) allein durch den Gleichstrompulssteller 8 bestimmt wird, der Maximalwert U von der Spannung des Netzes 5 sowie von der Schaltungskonfiguration des Diodengleichrichters 7 und damit unabhängig vom Betrieb der Anordnung, Figur 3b zeigt eine Anordnung für generatorischen Betrieb der Asynchronmaschine, bestehend aus einem voll ausgesteuerten netzgelöschten Wechselrichter 19 und einen Gleichstrompulssteller 8, symbolisch als Schalter dargestellt.

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Die Form der Spannung an den Klemmen A-B des maschinenseitigen Stromrichters entspricht dem in Figur 2a, b dargestellten Verlauf, wobei die Frequenz und das Tastverhältnis und dadurch die Größe des auf den Maximalwert U bezogenen Mittelwertes U_m der. Spannung ü. -g(t> bei konstanten Betriebsparametern der Asynchronmaschine und des maschinenseitigen Stromrichters allein durch den Gleichstrompulssteller 8 bestimmt wird, der Maximalwert U von der Spannung des Netzes 5 sowie von der Schaltungskonfiguration und vom Steuerwinkel des netzgelöschten Wechselrichters 19 und damit unabhängig vom Betrieb der Anordnung .

Bekanntermaßen ist es auch denkbar, statt des netzgelöschten Wechselrichters zur .Bremsenergieumsetzung der Asynchronmaschine einen ohmschen Widerstand oder eine R-C-Kombination oder ein vorhandenes Gleichstromnetz zu benutzen. In solchem Falle wird der Maximalwert U der Spannung ^u/\_;a("k) i^m wesentlichen durch diese Elemente bestimmt.

Bekanntermaßen ist es auch denkbar, zur Bremsenergieumsetzung einen oder mehrere durch Gleichstrompulssteller gesteuerte Widerstände zu benutzen«, Figur 4 zeigt eine bekannte Anordnung eines Pulsstromrichters, bestehend aus Diodengleichrichter· 7 und zu diesem antiparallel geschalteten Stromrichter 11, dessen Ventile ein- und ausschaltbar sind, Die Induktivitäten 9 der Stränge des Netzes 5 bilden mit einer Kapazität 10 an den Klemmen A-B des Zwischenkreises 3 einen Resonanzkreis zur impulsförmigen Energieübertragung vom Netz 5 auf den Zwischenkreis 3 bzw. zur Formung des zeitlichen Verlaufs der Spannung u. _B(t) entsprechend Figur 2c, d, e. Die Kapazität des Kondensators

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10 ist gegenüber der eines bekannten Zwischenkreispufferkondensators wegen des grundsätzlich unter- schiedlichen Verwendungszweckes beider- Kapazitäten wesentlich geringer.

Die Frequenz der Spannung u,_-ß(t) wird durch die Tastfrequenz des Stromrichters 11, der Maximalwert U gleichzeitig durch folgende Parameter bestimmt: Spannung des Netzes 5, Daten der Resonanzkreiselemente 9 und 10, Konfiguration des Diodengleichrichters 7, Taktfrequenz und relative Einschalt dauer des Stromrichters 11 sowie Belastung des Zwischenkreises durch den maschinenseitigen Stromrichter 4 entsprechend der Belastung der Asynchronmaschine 6. Bei vorgegebenen Schaltungsparametern der Anordnung ist der Maximalwert U somit entweder gleich oder größer als die gleichgerichtete Spannung des Netzes 5, beeinflußt durch die relative Einschalt dauer des Stromrichters 11 in Ab-

hängigkeit von der Belastung.

Figur 5 zeigt eine Anordnung eines Pulsgleichrichters, bestehend aus einem ungesteuerten Diodengleichrichter 7, einem durch Steuerimpuls einschaltbaren Ventil 12 sowie einer Induktivität 13 und, einer Kapazität 10 als Speicherelemente» Diese Speicherelemente 13 und 10 und ggf. auch die Induktivitäten 9 der- Stränge des Netzes 5 bilden mit den Ventilelementen 7 und 12 und dem Netz 5 einen Reihenresonanzkreis, der periodisch erregt wird, wodurch Energie vom Netz 5-an'die Klemmen A-B des Zwischenkreises transportiert wird. Die Stellung dieser Energie wird bei vorgegebenen Parametern des Netzes 5 sowie-der Schwingkreiselemente durch die Einschaltfrequenz des Ventils 12 bewirkt. Die Schwingkreiselemente 12, 13 und 10 sind deshalb auch als

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Gleichstrompulssteller 8' mit Pulsfrequenzsteuerung ^: entsprechend Figur 3a bei motorischem Betrieb der Asynchronmaschine auffaßbar, die Elemente 20,. 21, 13 und 10 als Gleichstrompulssteller 8 mit Pulsfrequenzsteuerung entsprechend .Figur 3b bei generatorischem Betrieb der Asynchronmaschine.

Wie in den vorgenannten Beispielen hat bei motorischem Betrieb der Asynchronmaschine die Spannung u._g(t) in Abhängigkeit von der Belastung einen Verlauf, wie in Figur 2c, d, e angegeben, wobei der Mittelwert U_m dusch die Pulsfrequenz des Gleichstrompulsstellers 8 stellbar ist und der Spitzenwert U wegen des Resonanzkreises über dem gleichgerichteten Wert der Spannung des Netzes 5 liegt, wodurch eine sichere Löschung des Ventils 12 nach jedem Arbeitstakt bewirkt wird. Bei Energierücklieferung in den Zwischenkreis 3 durch generatorischen Betrieb der Asynchronma'schine sperrt das Ventil 12, und es schaltet das steuerbare Ventil 20 periodisch den Widerstand 21 ein, so daß auch in diesem Falle die Spannung u,j,(t) einen Verlauf hat, wie in Figur 2c, d, e angegeben. Dabei ist der Mittelwert U durch die Pulsfrequenz des Gleichstrompulsstellers 8 stellbar und der Spitzenwert U außer von den Parametern der Resonanzkreiselemente 13 und 10 von den System- und Betriebsparametern der Asynchronmaschine und des maschinens.eitigen Stromrichters abhängige

In Figur -6' ist ein Ausführungsbeispiel für den maschinenseitigen Stromrichter 4 entsprechend Figur 1 dargestellt. Es· zeigt einen bekannten selbstgelöschten Stromrichter mit Phasenfolgelöschung, bestehend aus steuerbaren Ventilen 16, Kommutierungs-

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kondensatoren 17, Blindstrom- oder Freilaufdioden 14, Kommutierungsinduktivitäten 15 sowie Dioden 18 zur Verhinderung der Entladung der Kommutierungskondensatoren 17 über die V/icklungen der Asynchronmaschine 6. Es ist denkbar, auf die Dioden 18 zu verzichten, wenn durch steuerungstechnische Maßnahmen das Umschalten der Ventile 16 gerade zu dem Zeitpunkt erfolgt, in dem die Spannung der Kommutierungskondensatoren, die in diesem Falle annähernd dem Verlauf der Spannung u_A___B(t) folgen würde, ein Maximum erreicht hätte. Unter dieser Bedingung sind die Resonanzkreiselemente der Beispiele, die in Figur 4 und 5 angeführt sind, um .die Kommutierungsinduktivitäten 15 und die Kommutierungskapazitäten 17 als nachgeschalteter Resonanzkreis 2. Ordnung zu erweitern, oder es ist denkbar, als Resonanzkreiselemente ausschließlich die Kommutierungsinduktivitäten 15 sowie die Kommutierungskapazitäten 17 zu verwenden. Die Blindstrom- oder Freilaufdioden 14 bewirken, daß der Maschinenstrom im Falle u. _B(t) = 0 über die gerade eingeschalteten steuerbaren Ventile 16 weiterfließt, so daß ihr Strom allgemein nicht lückt, im Falle des Lückens jedoch so klein ist, daß die di/dt-Belastung der Ventile 16 beim Wiedereinschalten gering bleibt.

Die Vorteile der- Erfindung; bestehen darin, daß - als netzseitige Stromrichter zur Speisung des.Zwischenkreises aus einem ein- oder mehrsträngigen Wechselspannungsnet ζ solche Stromrichter verwendet werden können, die einerseits keine Steuerblindleistung aus dem Netz beziehen und darüber hinaus dieses Netz mit solchen Stromoberschwingungen belasten, die auf Grund ihrer'relativ hohen Frequenz

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einfacher zu kompensieren sind als solche, die durch Anschnittasteuerung entstehen, andererseits diskontinuierliche oder impulsförmige Energieübertragung in den oder aus dem Zwischenkreis bewirken,

- als maschinenseitige Stromrichter solche Schaltungskonfigurationen benutzt werden können, die keine dynamisch hochwertigen Ventile und darüber hinaus einfache Kommutierungseinrichtungen und

einfachsAnsteuerelektronik erfordern, ' .

- als Zwischenkreiselemente keine Mittel zur Energiezwischenspeicherung, wie sie im Vergleich zu den anderen Verfahren zur Spannungs- oder Stromglättung . erforderlich sind, aufzuwenden sind.

Darüber hinaus ergibt sich bei Verwendung der Kommutierungsinduktivitäten 15 sowie der Kommutierungskapazitäten 17 als Resonanzkreiselemente beim Umschalten der Stromrichterventile 16 synchronisiert mit oder in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung bzw. der Spannung der Kommutierungskondensatoren bzw. der Ansteuerung des netzseitigen Stromrichters sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb der Asynchronmaschine der Vorteil, daß auf die bekanntermaßen bei phasenfolgegelöschten Stromrichtern in Reihe mit den steuerbaren Ventilen 16 liegenden ungesteuerten Dioden 18 verzichtet werden kann, wodurch der leistungselektronische Aufwand für den maschinenseitigen Stromrichter noch weiter reduziert werden kann»

Claims

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Erfindungsanspruch . .

1. Indirekter Umrichter zur Stellung der Drehzahl von Asynchronmaschinen mit dem maschinenseitigen Stromrichter aufgeprägter Zwischenkreiaspannung,
gekennzeichnet dadurch , daß die Zwischenspannung zeitlich periodisch veränderlich, deren Spitzenwert im wesentlichen konstant
und deren,Mittelwert einstellbar ist.
2. Indirekter Umrichter nach Punkt 1, g.d., daß zur Erzeugung der Zwischenkreisspannung Gleichstrompulsstelleranordnungen oder Pulsstromrichter in Verbindung mit Induktivitäten (9, 13» 15) und Kapazitäten (10, 17)·als Elemente von Schwingkreisen benutzt
werden.
3. Indirekter Umrichter nach Punkt 1 und 2, g.d., daß als Schwingkreiselemente ausschließlich die Kommutierungsinduktivitäten (15) und die Kommutierungskapazitäten (17) des maschinenseitigen Stromrichters (4) benutzt werden.
4. Indirekter Umrichter nach Punkt 1 bis 3, g.d., daß die periodische Umschaltung der Stromrichterventile (16) des maschinenseitigen Stromrichters (4) synchronisiert mit oder i.n Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf der Zwischenkreisspannung bzw. von der Spannung der Kommutierungskondensatoren (17) des maschinenseitigen Stromrichters (4) bzw. von der Ansteuerung des netzseitigen Stromrichters (2) erfolgt.

Hierzu. JL_Seiten Zeichnungen