DE10234175B4 - Gleichstrommotor-Matrixumrichter mit Erreger- und Ankerschaltungen - Google Patents

Gleichstrommotor-Matrixumrichter mit Erreger- und Ankerschaltungen Download PDF

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Abstract

Rückspeisender, Gleichstrom liefernder Umrichter zum Steuern eines Gleichstrommotors (55, 57) mit einem Anker (55) und einer Erregerwicklung (57), aufweisend:einen Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter (6) mit neun bidirektionalen Schaltern, der eine Dreipol-Brücke (7) mit drei Eingangspolen für entsprechenden Anschluss an einen Dreiphasen-Eingangsstrom (8) und mit drei Ausgangspolen (52, 53, 58) aufweist, wobei zwei der Ausgangspole (52, 53) zum Anschluss an den Anker (55) eines Gleichstrommotors dienen und der Dritte (58) der Ausgangspole zum Anschluss an einen Anschluss (I) der Gleichstrommotor-Erregerwicklung (57) dient; undeine Mehrzahl von Dioden (61, 62, 63), die zusätzlich zu dem Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter vorgesehen sind und von denen jede für eine Anordnung zwischen einer der Eingangsstromphasen (8) und dem anderen Anschluss (K) der Gleichstrommotor-Erregerwicklung (57) vorgesehen ist.

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Dreiphasen-Matrixumrichter mit Dioden, der einen Gleichstrommotor mit gesteuertem Ankerstrom und mit gesteuertem Erregerstrom versorgt.
  • Matrixumrichter sind hauptsächlich zum Einsatz für direkte Wechselstrom-zu-Wechselstromumrichtung entwickelt worden; typischerweise findet die Umrichtung von mehrphasigem Eingangsstrom zu mehrphasigem Ausgangsstrom statt, wobei mehr als zwei Phasen am Eingang und Ausgang beteiligt sind. Auf Grund jüngster Fortschritte in der Halbleitertechnologie sind Matrixumrichter als rückspeisende Umrichter für Dreiphasenstrom-zu-Gleichstrom-Umrichtung unter Verwendung von Halbleiterschaltern und antiparallelen Dioden konkurrenzfähig geworden.
  • 2 stellt einen bekannten Matrixumrichter 6 mit drei Eingangsphasen und drei Ausgangsphasen dar, welcher eine ausgewählte Topologie für rückspeisende Wechselstromantriebe, wie sie in Aufzügen benutzt werden, enthält. In 2 erhält eine konventionelle Insulated-Gate-Bipolar-Transistor-Brücke 7 dreiphasigen Eingangsstrom an den Leitungen 8 über ein konventionelles LC-Filter 9, welches mit den drei Phasen R, S, T eines Wechselstromversorgungsnetzes 10 verbunden ist. Jeder der Schalter S11-S33 innerhalb der Brücke 7 enthält zwei Gruppen, wobei jede Gruppe einen Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) und eine antiparallele Diode enthält, so dass jeder Schalter bidirektional ist. Bekanntlich stellt die Brücke durch ausgewählte Betätigung der Schalter S11-S13, S21-S23, S31-S33 innerhalb der Brücke 7 drei Phasen von Spannungen A, B, C an den Ausgangsleitungen 45-47 der Brücke für einen Dreiphasen-Induktionsmotor (IM) 50 zur Verfügung.
  • Durch Verbinden der Schalter Sij, wobei i die Ausgangsphase 1, 2 oder 3 und j die Eingangsphase 1, 2 oder 3 anzeigt, werden aus den Eingangsspannungen pulsmodulierte Ausgangsspannungen erzeugt. Die Schalter Sij werden derart ein- und ausgeschaltet, dass örtlich gemittelte Ausgangsspannungen und Eingangsphasenströme sinusförmig sind. Zwei Schalter in der gleichen Ausgangsphase werden nicht gleichzeitig eingeschaltet, da dies einen Kurzschluss zwischen zwei Eingangsphasen verursachen würde. In keiner der Ausgangsphasen kann der Strom unterbrochen werden, ohne einen alternativen Pfad zur Verfügung zu stellen. Betrieb und Methoden zum Steuern von Matrixumrichtern werden in der folgenden Literatur ausführlich behandelt: „Theory and design of a 30-hp matrix converter" von C. L. Neft und C. D. Schauder aus IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 28, no. 3, pp. 546-551, 1992; „Space vector modulated three-phase to three-phase matrix converter with input power factor correction" von L. Huber and D. Borojevic aus IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 31, pp. 1234-1246, Nov./Dec. 1995; „New Protection Issues of a Matrix Converter: Design Considerations for Adjustable-Speed Drives" von P. Nielsen, F. Blaabjerg, J. K. Pedersen aus IEEE Transactions on Industry Application, pp. 1150-1163, Volume 35 Number 5, September/October 1999.
  • In 3 werden nur zwei Pole S11-S13 und S31-S33 der Brücke 7 benutzt, um zwei Pole einer Gleichspannung A, 8 an einem Leitungspaar 52, 53 für den Anker eines Gleichstrommotors 55 zur Verfügung zu stellen. Obwohl der Bereich von Ausgangsfrequenzen für Matrixumrichter null Hertz einschließt, ist der Einsatz eines Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichters für einen Gleichstromantrieb, wie in 3 dargestellt, nicht geeignet, da er nur für den Ankerkreis Strom zur Verfügung stellt und für den Erregerkreis keinen Strom zur Verfügung stellt. Dieses Problem kann durch die Verwendung eines Dreiphasen-zu-Vierphasen-Matrixumrichters, wie in 4 dargestellt, überwunden werden, wobei alternierende Ausgangsphasen an den Anker bzw. an den Erreger angeschlossen sind. 4 unterscheidet sich von 3, indem ein zweiter und dritter Pol, S21-S23 und S41-S43, innerhalb der Brücke 7a zur Verfügung gestellt werden, um Verbindungen zu den Anschlüssen I, K der Erregerwicklung 57 des Gleichstrommotors 55 auf den entsprechenden Leitungen 58, 59 zur Verfügung zu stellen. Die Schaltung und deren Steuereinrichtung sind jedoch komplexer und teurer als die Schaltung gemäß 2, und stellen keine geeignete Lösung dar.
  • In der Aufzugindustrie gibt es viele existierende Aufzuginstallationen mit Gleichstrommotoren, und es wäre nützlich, wenn man in der Lage wäre, diese Motoren effektiver mit Matrixumrichtern antreiben zu können, sowohl bei neuen Anlagen als auch zum nachträglichen Hochrüsten. Auch wäre es vorteilhaft, im Wesentlichen identische Umrichteinrichtungen sowohl für Wechselstrom- als auch für Gleichstrominstallationen zu benutzen.
  • JP H04- 29 591 A offenbart einen Umrichter für einen Gleichstrommotor in einem Aufzug, bei dem die Ankerwicklung an zwei Ausgangspole eine Dreiphasen-zu-Zweiphasen-Matrixumrichters angeschlossen sind und bei dem die Erregerwicklung über sechs Dioden an die drei Eingangspole des Dreiphasen-zu-Zweiphasen-Matrixumrichters angeschlossen sind.
  • Aufgaben der Erfindung enthalten das zur Verfügung Stellen eines Matrixumrichters, der für einen Einsatz entweder für Wechselstrom- oder für Gleichstrommotoren leicht anpassbar ist; das zur Verfügung Stellen von Einrichtungen zum leichten Anpassen eines Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichters für einen Einsatz zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren; ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zum Hochrüsten existierender Gleichstrom-Aufzugantriebsmotoren für die Steuerung durch Matrixumrichter; und eine relativ einfache, billige und einfach zu benutzende Anpassung eines Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichters für einen Einsatz zum Ansteuern von Gleichstrommotoren.
  • Diese Erfindung ist teilweise auf die Kenntnis der Tatsache gegründet, dass ein Gleichstrommotor, der mit Dreiphasenstrom über einen rückspeisenden Matrixumrichter betrieben wird, keine bidirektionalen Ströme in der Erregerwicklung benötigt und deshalb keinen konventionellen, drei Schalter aufweisenden Matrixumrichter-Pol zum Versorgen der Gleichstrommotor-Erregerwicklung benötigt.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst einen rückspeisenden, Gleichstrom liefernden Umrichter gemäß Anspruch 1, einen rückspeisenden, Gleichstrom liefernden Umrichter gemäß Anspruch 2 und ein Gleichstrommotorsystem gemäß Anspruch 4.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Anker eines Gleichstrommotors zwischen zwei Ausgänge eines konventionellen Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichters geschaltet, und die Erregerwicklung des Gleichstrommotors ist zwischen den dritten Ausgang des Matrixumrichters und je eine der Phasen der Eingangsversorgungsleitungen geschaltet, und zwar über einzelnen Phasen zugeordneten Dioden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Dioden als Bausatz ausgeführt sein, welcher einfach an einen konventionellen Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter angeschaltet wird, wodurch ein Umrichter zum Ansteuern von rückspeisenden Wechselstrommotoren für die Funktion eines Umrichter zum Ansteuern von rückspeisenden Gleichstrommotoren angepasst wird.
  • Die Erfindung erlaubt den Einsatz eines standardmäßigen rückspeisenden Matrixumrichters in einem weiten Bereich von Aufzugsantrieben, wobei, falls gewünscht, der Matrixumrichter durch einen einfachen Dioden-Bausatz für Gleichstromanwendungen angepasst wird, oder aber der Matrixumrichter für einen Wechselstromantrieb benutzt wird, falls angebracht.
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
    • 1 einen vereinfachten, schematischen Schaltplan eines Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichters mit Erregerdioden, die den Strom für den Erreger eines Gleichstrommotors zur Verfügung stellen, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
    • 2 einen vereinfachten, schematischen Schaltplan eines konventionellen Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichters.
    • 3 einen vereinfachten, schematischen Schaltplan eines konventionellen Dreiphasen-zu-Gleichstrom-Matrixumrichters.
    • 4 einen vereinfachten, schematischen Schaltplan eines konventionellen Dreiphasen-zu-Vierphasen-Matrixumrichters zum Steuern des Ankerkreises und des Erregerkreises eines Gleichstrommotors.
  • Gemäß 1 ist ein Pol S21-S23 einer Matrixumrichter-Brücke 7 an einen Knoten I einer Gleichstrommotor-Erregerwicklung 57 angeschlossen, und ein Knoten K der Gleichstrommotor-Erregerwicklung 57 ist über eine Leitung 59a an einer Mehrzahl von Dioden 61-63 angeschlossen, wobei die Dioden so gepolt sind, dass sie von der Erregerwicklung 57 zu den entsprechenden Wechselstrom-Anschlussleitungen R, S, T leiten. Die Dioden 61-63 können als ein Bausatz 66 zur Verfügung gestellt werden, um so die Umwandlung der Verwendung des konventionellen Dreiphasen-IGBT-Matrixumrichters 6 für eine Ansteuerung eines Induktionsmotors 50 (2) in eine Verwendung des konventionellen Dreiphasen-IGBT-Matrixumrichters 6 für eine Ansteuerung eines Gleichstrommotors 55, 57 zu erleichtern. Die Dioden können die gezeigte oder die entgegengesetzte Polarität aufweisen; die Polarität wählt nur die Richtung des Erregerwicklungsstroms aus, welcher wiederum die Richtung der Motorrotation in Bezug auf die Polarität des Ankerstroms ändert. Da die Erregerwicklung eine sehr große Induktivität aufweist, ist die Kontrolle der Motordrehrichtung mittels der Erregerströme nicht praktikabel; statt dessen wird die Motordrehrichtung mittels des Ankerstroms gesteuert. Daher kann die Polarität des Erregerstroms invariant sein. Wie gezeigt, versorgen die Dioden 61-63 den Erreger 57 mit der am meisten negativen Spannung einer der drei Phasen R, S, T der Wechselstrom-Versorgungsleitungen 8. Die Schalter S21-S23 leiten den Strom nur in die Richtung, die durch die Dioden vorgegeben wird. Deshalb ist nur eine Gruppe aus IGBT und Diode notwendig. Wie in 1 gezeigt, wird der Emitter mit der Erregerwicklung 57 verbunden.
  • Die Steuerung für die Brücke gemäß Fig. 1 können Fachleute leicht entwickeln, indem der Ankerstrom und der Erregerstrom für den gewünschten, speziellen Einsatz gesteuert werden, gemäß den wohl bekannten Prinzipien, wie sie z.B. offenbart sind in Leonhard, Werner: Control of Electrical Drives, 2nd Ed., Springer-Verlag: New York, 1996.

Claims (4)

  1. Rückspeisender, Gleichstrom liefernder Umrichter zum Steuern eines Gleichstrommotors (55, 57) mit einem Anker (55) und einer Erregerwicklung (57), aufweisend: einen Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter (6) mit neun bidirektionalen Schaltern, der eine Dreipol-Brücke (7) mit drei Eingangspolen für entsprechenden Anschluss an einen Dreiphasen-Eingangsstrom (8) und mit drei Ausgangspolen (52, 53, 58) aufweist, wobei zwei der Ausgangspole (52, 53) zum Anschluss an den Anker (55) eines Gleichstrommotors dienen und der Dritte (58) der Ausgangspole zum Anschluss an einen Anschluss (I) der Gleichstrommotor-Erregerwicklung (57) dient; und eine Mehrzahl von Dioden (61, 62, 63), die zusätzlich zu dem Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter vorgesehen sind und von denen jede für eine Anordnung zwischen einer der Eingangsstromphasen (8) und dem anderen Anschluss (K) der Gleichstrommotor-Erregerwicklung (57) vorgesehen ist.
  2. Rückspeisender, Gleichstrom liefernder Umrichter zum Steuern eines Gleichstrommotors (55, 57) mit einem Anker (55) und einer Erregerwicklung (57), aufweisend: einen Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter (6) mit neun bidirektionalen Schaltern, der eine Dreipol- Brücke (7) mit drei Eingangspolen für entsprechenden Anschluss an einen Dreiphasen-Eingangsstrom (8) und mit drei Ausgangspolen (52, 53, 58) aufweist und zum Steuern eines Induktionsmotors befähigt ist bei einem Anschluss eines jeden der genannten Ausgangspole an einen entsprechenden der Pole des Induktionsmotors, wobei zwei der Ausgangspole (52, 53) zum Anschluss des Ankers (55) eines Gleichstrommotors (55, 57) dienen und der Dritte (58) der Ausgangspole zum Anschluss an einen Anschluss (I) der Gleichstrommotor-Erregerwicklung (57) dient; und eine Mehrzahl von Dioden (61, 62, 63), die zusätzlich zu dem Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter vorgesehen sind und von denen jede für eine Anordnung zwischen einer der Eingangsstromphasen (8) und dem anderen Anschluss (K) der Gleichstrommotor-Erregerwicklung (57) vorgesehen ist.
  3. Umrichter gemäß Anspruch 2, bei welchem: besagte Dioden (61, 62, 63) in einem Bausatz (66) angeordnet sind, welcher an den Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter (6) anfügbar ist.
  4. Gleichstrommotorsystem, das Folgendes enthält: einen Gleichstrommotor (55, 57) mit einem Anker (55) und einer Erregerwicklung (57); einen Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter (6) mit neun bidirektionalen Schaltern, beinhaltend eine Drei-Pol-Brücke (7) mit drei Eingangspolen für entsprechenden Anschluss an einen Dreiphasen-Eingangsstrom (8) und mit drei Ausgangspolen, wobei zwei der Ausgangspole (52, 53) an den Anker (55) des Gleichstrommotors (55, 57) angeschlossen sind und der Dritte (58) der Ausgangspole an einen Anschluss (I) der Gleichstrommotor-Erregerwicklung (57) angeschlossen ist; und eine Vielzahl von Dioden (61, 62, 63), die zusätzlich zu dem Dreiphasen-zu-Dreiphasen-Matrixumrichter vorgesehen sind, wobei jede Diode zwischen eine der Eingangsstromphasen (8) und den anderen Anschluss (K) der Gleichstrommotor-Erregerwicklung (57) geschaltet ist.
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