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Einrichtung zur Zwangskommutierung eines einen Drehstrommotor speisenden
Wechselrichters Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zwangskommutierung in
einer Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung eines über einen Wechselrichter
an eine Gleichspannungsquelle angeschlossenen Drehstrommotors, wobei der Wechselrichter
aus einer Gegenparallelschaltung von zwei Drehstrombrückenschaltungen besteht, von
denen eine gesteuerte Hauptstromventile enthält. Die Größe der Gleichspannung kann
veränderbar sein, und der Wechselrichter speist den Motor mit Spannungen veränderbarer
Größe, veränderbarer Frequenz und umkehrbarer Drehfeldrichtung. Da die Anordnung
sowohl zur Speisung eines Synchronmotors als auch eines Asynchronmotors vorgesehen
ist, muß der Wechselrichter Blindstrom führen können, d. h., er muß zu einem
von der Steuereinrichtung vorgegebenen Zeitpunkt den in einem gesteuerten Ventil
fließenden Strom löschen und den in der Motorzuleitung fließenden Strom auf ein
anderes Ventil kommutieren. Der Wechselrichter ist deshalb mit der Einrichtung zur
Zwangskommutierung versehen.
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Es sind bereits Anordnungen mit über Wechselrichter gespeisten Wechselstrommotoren
bekannt, bei denen für die Zwangskommutierung aus Kondensatoren und Drosseln bestehende
Schwingkreise vorgesehen sind und bei denen die Kommutierung durch Zünden eines
der gesteuerten Ventile eingeleitet wird. Bei der Kommutierung schwingt die Energie
des Kommutierungskondensators in die Drossel. Sie kann jedoch nicht in den Kondensator
zurückschwingen und diesen umladen, da die Drossel von dem neu gezündeten Ventil
und dem Ventil der gleichen Phase der ungesteuerten Brückenschaltung, dem sogenannten
Blindstromventil, überbrückt wird. Die in der Drossel gespeicherte Energie treibt
einen Kreisstrom über diese Ventile. In diesen Anordnungen wird somit die Energie
des Kommutierungskondensators in Wärme umgesetzt. Die Folge ist ein schlechter Wirkungsgrad
und eine zusätzliche Belastung der Ventile durch den Kreisstrom. Bei der Drehzahlsteuerung
eines Asynchronmotors mit einer derartigen Anordnung ist es notwendig, das Kippmoment
des Motors unabhängig von der Frequenz mindestens annähernd konstant zu halten.
Folglich müssen Größe und Frequenz der Spannung in linearer Abhängigkeit geführt
werden. Der Kommutierungskondensator 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 im Gleichstromkreis abhängt, so ist für eine konstante
Ladung eine in Abhängigkeit von der Frequenz und damit von der Spannung veränderbare
Kapazität erforderlich.
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In einer weiteren bekannten Anordnung zur Umforrnung von Gleichstrom
in Wechsel- oder Drehstrom mittels eines netzgeführten Wechselrichters in Drehstrom-Brückenschaltung
wird die Zwangskommutierung durch eine zusätzliche Einrichtung ermöglicht, die aus
zwei gesteuerten Ventilen, sogenannten Kommutierungsventilen, und einem Kommutierungskondensator
besteht. Die Reihenschaltung der beiden Kommutierungsventile ist dem Ausgang der
Brückenschaltung parallel geschaltet. Die Verbindungsleitung dieser beiden Ventile
ist unter Zwischenschaltung des Kommutierungskondensators mit einem Mittelpunktsleiter
der Spannungsquelle verbunden. In dieser Anordnung wird die Stromkommutierung erzwungen
durch die im gegebenen Augenblick selbsttätig passend gepolte Kondensatorspannung,
die über eines der beiden Kommutierungsventile den Kommutierungsstrom zum Löschen
des stromführenden Hauptventils hervorruft. Für diese Steueranordnung ist ein gut
geglätteter Gleichstrom erforderlich, weil der Kondensator durch den Gleichstrom
ent-und umgeladen wird. Ferner ist die Kommutierungszeit abhängig von der Größe
des Stromes. Diese Anordnung ist nicht geeignet zur Speisung eines Drehstrommotors.
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Diese Nachteile können mit einer Ein- richtung zur Zwangskommutierung
erfindungsgemäß dadurch CD weitgehend vermieden werden, daß zwischen den beiden
gleichstromseitigen Verbindungen der gesteuerten Hauptstromventile zwei in deren
Durchlaßrichtung gepolte gesteuerte Kommutierungsventile in Reihenschaltung angeordnet
sind, deren Verbindungsleitung
unter Zwischenschaltung eines Konunutierungskondensators
an einen Mittelpunktsleiter der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und daß
in den Gleichstromleitungen zwischen den beiden Brückenschaltungen je eine
Kommutierungsdrossel liegt, die über eine Reihenschaltung von zwei in Sperrichtung
der Hauptstromventile gepolten Begrenzungsventilen verbunden sind, deren Verbindungsleitung
ebenfalls an den Mittelpunktsleiter der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.
Die Begrenzungsventile können vorteilhaft in Abhängigkeit von der Sperrspannung
der Kommutierungsventile oder der Spannung am Kommutierungskondensator gesteuert
sein. Im Kommutierungskondensator steht unabhängig von der Spannung der Gleichspannungsquelle
immer die gleiche Ladung für den Kommutierungsvorgang zur Verfügung.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein einen
Drehstrommotor speisender Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis dargestellt.
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F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung;
in F i g. 2 ist ein Kommutierungsvorgang in einem Diagramm veranschaulicht.
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Nach F i g. 1 ist ein Drehstrommotor 2, der ein Drehstromsynchronmotor
oder ein Drehstromasynchronmotor sein kann, über einen Wechselrichter
3,
einen Gleichstromzwischenkreis, einen Gleichrichter 23 mit gesteuerten
Ventilen 24 und 25 in jedem Brückenzweig und einen Stromrichtertransformator
33 mit einer Sekundärwicklung 31 und einer Primärwicklung
32 an ein Drehstromnetz mit den Netzleitern R, S und T angeschlossen.
Der Wechselrichter 3 besteht aus zwei gegenparallelgeschalteten Brilckenanordnungen,
von denen eine gesteuerte Ventile 4 bis 9 enthält, die vorzugsweise Einkristall-Halbleiterventile,
insbesondere Siliziumventile, sein können, die wegen ihrer kurzen Freiwerdezeit
verhältnismäßig hohe Frequenzen für die Motorspannung zulassen. Die zweite Anordnung
enthält ungesteuerte Ventile 10 bis 15, sogenannte Blindstromventile.
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Zur Zwangskommutierung des Stromes der gesteuerten Ventile 4 bis
9 des Wechselrichters 3 ist erfindungsgemäß eine Einrichtung vorgesehen,
die aus zwei Kommutierungsdrosseln 16 und 17, zwei gesteuerten Kommutierungsventilen
18 und 19, einem Kommutierungskondensator 20 und zwei Begrenzungsventilen
21 und 22, die zur Begrenzung der Spannung im Kommutierungskreis dienen, besteht.
Der Kommutierungskondensator 20 und die Verbindungsleitung der Begrenzungsventile
21 und 22 sind mit dem am Stempunkt der Transformatorsekundärwicklung
31 angeschlossenen Mittelpunktsleiter des Gleichstromzwischenkreises verbunden.
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Im Gleichstromzwischenkreis ist in bekannter Weise eine Glättungseinrichtung
vorgesehen, die aus Glättungsdrosseln 26 und 27 und einer zwischen
den Gleichstromleitungen angeordneten Reihenschaltung von zwei Kondensatoren
28 und 29 besteht, deren Verbindungsleitung mit dem Sternpunkt der
Transformatorsekundärwicklung 31 verbunden ist. Die Kapazität eines der Glättungskondensatoren
28 und 29 kann beispielsweise etwa zwei bis drei Größenordnungen größer
sein als die Kapazität des Kommutierungskondensators 20.
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Zur Steuerung des Wechselrichters 3 und des Gleichrichters
23 können bekannte Steuer- und/oder Regeleinrichtungen vorgesehen sein, die
in der Figur nicht dargestellt sind. Durch entsprechende Steuerung des Gleichrichters
23 wird die Spannung im Gleichstromzwischenkreis und damit die Größe der
dem Motor 2 zugeführten Spannung gesteuert. Die Frequenz der Motorspannung wird
durch die Taktfrequenz der Ventile des Wechselrichters 3 und die Drehrichtung
des Motors 2 durch die Reihenfolge der Stromführung der Ventile des Wechselrichters
3 bestimmt. Die Gleichspannung kann in bekannter Weise so gesteuert oder
geregelt werden, daß der magnetische Fluß im Motor unabhängig von der Frequenz und
der Belastung des Motors konstant gehalten wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise
eine Flußmessung mittels Hallsonden vorgesehen sein. Eine derartige Steuerung bewirkt
ein konstantes Kippmoment des Motors unabhängig von der Frequenz. Es kann aber auch
die Größe der Motorspannung konstant gehalten und seine Drehzahl lediglich durch
Änderung der Frequenz gesteuert werden, was dem Betrieb im Feldschwächbetrieb bei
Gleichstrom" motoren entspricht.
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In F i g. 2 sind die Spannung U4 am beispielsweise gerade
stromführenden Hauptventil 4 und die Spannung U., sowie der Ladestrom
Il. des Kommutierungskondensators 20 und der Strom 12, im Begrenzungsventil 21 während
einer Kommutierung des Stromes vom Ventil 4 auf das Ventil 5 schematisch
dargestellt. Zur Zeit t. führen die Hauptventile 4 und 9 sowie das Ventil
11 den Motorstrom, wie in F i g. 1 durch Pfeile angedeutet ist. Die
Spannung U4
am Ventil 4 ist gleich seinem Spannungsabfall in Durchlaßrichtung.
Der Kommutierungskondensator ist auf - 2 Ug aufgeladen. Zur Zeit t wird der
Kommutierungsvorgang durch Zünden des Kommutierungsventils 18 eingeleitet.
Die Anodenspannung des Ventils 4 fällt auf die Kondensatorspannung - 2 Ug.
Die Induktivität der Motorwicklung hält den Strom über die Motorklemme
U aufrecht, der Strom kornmutiert auf das Ventil 13, dessen Anodenspannung
- Ug beträgt. Das Ventil 4 erlischt, seine Spannung springt auf
- Ug, das ist die Differenzspannung zwischen seiner Anodenspannung
- 2 Ug und der Kathodenspannung - Ug. Während seine Kathodenspannung
entsprechend der Kathodenspannung des Blindstromventils 13 auf
- Ug gehalten wird, steigt die nodenspannung entsprechend dem im Schwingkreis,
der aus Kondensator 20 und Drossel 16 gebildet ist, einsetzenden Ausgleichsvorgang
an. Die Spannung des Kondensators 20, der durch den Ladestrom Ii. umgeladen wird,
steigt ebenfalls an. Sobald die Kondensatorspannung U#, den Betrag + Ug überschreitet
und damit die Differenzspannung an der Drossel 16
positiv wird, schwingt die
magnetische Energie der rossel 16 in den Kondensator 20 zurück, und der Ladestrom
Ii. nimmt ab. Der Zündzeitpunkt der Begrenzungsventile 21, 22 soll entsprechend
der zulässigen Spannung an den Kommutierungsventilen 18
und 19 beispielsweise
so gewählt sein, daß die Spannung U,() am aufgeladenen Kommutierungskondensator
20 gleich dem doppelten Betrag der Gleichspannung Ug ist. Es können aber auch andere
Spannungswerte gewählt werden. Sobald die Spannung in Durchlaßrichtung am Kommutierungsventil
19 den vorbestimmten Betrag erreicht hat, wird zur Zeit das Begrenzungsventil
21 gezündet und damit die Aufladung des Kondensators 20 unterbrochen. Das entil
18 erlischt.
Soll die Spannung am Kommutierungsventil
19
beispielsweise auf den dreifachen Betrag der Gleichspannung Ug begrenzt
werden, so wird der Kommutierungskondensator20 auf +2Ug aufgeladen. Die Spannung
am Ventil 19, an deren Kathode die negative Gleichspannung - Ug anliegt,
beträgt dann 3 Ug.
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Die Verwendung von gesteuerten Begrenzungsventilen 21., 22 ermöglicht
somit unabhängig von der Frequenz der Wechselspannung und der Größe der Gleichspannung
immer eine konstante Kondensatorladung für die Löschung der jeweils stromführenden
Hauptventile.
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Zur Zündung der Begrenzungsventile kann beispielsweise eine einfache
Anordnung vorgesehen sein, die aus je einer den Kommutierungsventilen
18 bzw. 19 parallelgeschalteten Reihenschaltung eines in Durchlaßrichtung
des Kommutierungsventils gepolten Hilfsventils, der Primärwicklung eines Steuerübertragers,
eines Widerstandes und eines Schaltelementes besteht, das bei Erreichen einer vorbestimmten
Spannung schaltet, beispielsweise eine Vierschichtdiode. An die Sekundärwicklung
des Steuerübertragers kann die Zündelektrode des entsprechenden Begrenzungsventils
21 bzw. 22 angeschlossen werden. Der Stromimpuls des Steuerübertragers beim Schalten
der Diode zündet das Begrenzungsventil. Mit der Zündung des Begrenzungsventils 21
sinkt dessen Kathodenpotential auf Null. Die in der Drossel 16 noch gespeicherte
magnetische Energie, die in F i g. 2 durch die unter der Kurve 41 schraffierte
Fläche von t. bis t. veranschaulicht ist, entlädt sich mit einem Strom I,1
gegen die positive Gleichspannung Ug in den Kondensator 28 und wird somit
zurückgewonnen. Ein Kreisstrom kann nicht entstehen.
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Zur Zeit t3 ist der Kommutierungsvorgang 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 der rechten Brückenhälfte erfolgt die Stromkommutierung entsprechend
mit Hilfe der Drossel 17, des Kommutierungsventils 19 und des Begrenzungsventils
22.
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Sind an Stelle der in F i g. 1 dargestellten gesteuerten Begrenzungsventile
21 und 22 ungesteuerte Ventile vorgesehen, so wird die Spannung des Kondensators
20 immer auf den doppelten Betrag der Gleichspannung Ug begrenzt. Ungesteuerte Begrenzungsventile
können beispielsweise verwendet werden, wenn für die Motorspannung nur ein geringer
Frequenzbereich erforderlich ist. Im Ausführungsbeispiel ist als Gleichspannungsquelle
ein gesteuerter Gleichrichter gewählt. Es kann jedoch beispielsweise auch ein mittels
eines Gleichstromgenerators oder aus einem Gleichstromnetz gespeister Impulserzeuger
zur Steuerung der Gleichspannung vorgesehen sein.
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Der dargestellte Motorantrieb ist nur für eine Drehmomentrichtung
vorgesehen. Falls der Antrieb auch elektrisch gebremst werden soll, muß eine Energierückspeisung
ermöglicht werden. Zu diesem Zweck kann der in F i g. 1 dargestellte gesteuerte
Gleichrichter 23 beispielsweise durch eine Antiparallelschaltuncr ersetzt
werden.
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