-
Drehzahlgesteuerter elektromotorischer Antrieb mit einem nach Art
eines Synchronmotors -ebauten Stromrichtermotor Die Erfindung betrifft einen drehzahlgesteuerten
elektromotorischen Antrieb mit einem nach Bauart eines mehrsträngigen Synchronmotors
mit gleichstromerregtem Polrad, gebauten Stromrichtermotor, der aus einem Wechselstromnetz
mit fester Spannung und Frequenz über eine erste Stromrichterschaltung, die als
Gleichrichter arbeitet, einen Gleichstromzwischenkreis sowie eine mit der Ankerwicklung
des Stromrichtermotors verbundene zweite Stromrichterschaltung, die als Wechselrichter
arbeitet, gespeist ist, und mit einem aus elektronischen Bauelementen aufgebauten
Steuergerät für die Wechselrichterventile, das an Steuerspannungen angeschlossen
ist, die eine den Spannungen an den Ankerklemmen des Stromrichtermotors proportionale
Größe haben und deren Phasenverschiebung gegenüber den Spannungen an den Ankerklemmen
durch ein Stellglied einstellbar ist.
-
Der Stromriehtermotor mit Gleichstromzwischenkreis bietet, wie bekannt,
die gleichen einfachen Möglichkeiten zur stufenlosen und verlustarmen Einstellung
seiner Drehzahl wie ein fremderregter Gleichstromnebenschlußmotor, indem sich seine
Drehzahl durch Änderung der Größe der Gleichspannung im Gleichstromzwischenkreis
oder der Größe des Erregerstromes stetig einstellen läßt. Da beim Stromrichtermotor
ein mechanischer Kommutator entfällt, läßt er sich für wesentlich größere Antriebsleistungen,
insbesondere bei hohen Drehzahlen, bauen als ein Gleichstrommotor.
-
Die mit der Ankerwicklung des Stromrichtermotors verbundene Stramrichterschaltung
arbeitet vom Standpunkt der Stromrichtertechnik als selbstgeführter Wechselrichter,
wobei sich die Frequenz der Spannung auf der Wechselstromseite in einem weiten Bereich
von z. B. 5 bis 50 Hz ändert. Die Zündung der Stromrichterventile erfolgt durch
Spannungs- oder Stromimpulse, die eine vorbestimmte Phasenlage zu der in der Ankerwicklung
des Stromrichtermotors induzierten Spannung haben. Die Phasenlage der Steuergrößen
ist derart eingestellt, daß das Steuergerät immer dann einen Spannungs- oder Stromimpuls
zur Zündung eines jeden der Stromrichterventile im Wechselrichter erzeugt, wenn
die Steuerspannungen bei einem Nulldurchgang ihre Polarität in einer Richtung ändern.
-
Da die Steuerimpulse zum Zeitpunkt der Nulldurchgänge der Steuerspannungen,
welche die Frequenz der Motorspannung haben, erzeugt werden, ist der Zeitpunkt ihrer
Auslösung unabhängig von der in hohem Maße veränderlichen Größe der Klemmenspannung
des Stromrichtermotors, und die Steuerimpulse folgen stets mit der richtigen Frequenz.
Es ist dem Steuergerät lediglich ein Stellglied, z. B. ein Drehtransformator, vorzuschalten,
damit die Steuerspannungen eine feste, vorbestimmte Phasenverschiebung gegenüber
der Klemmenspannung des Stromrichtermotors erhalten. Auf diese Weise erfolgt die
Zündung der Stromrichterventile auch mit einem Zündverzögerungswinkel, wie er für
den Betrieb eines Wechselrichters in bekannter Weise gefordert wird.
-
Die aus elektronischen Bauelementen bestehende Steuerung kann unabhängig
von der Art der Stromrichterventile eingesetzt werden. Bei Verwendung vors Quecksilberdampfstromrichtern
wird das Steuergerät so ausgelegt, daß Spannungsimpulse erzeugt werden, deren Dauer
die Stromführungszeit eines Ventils nicht überschreitet und die an die Steuergitter
der Ventile geführt werden. Als Stromrichterventile können aber auch steuerbare
Vierschicht-Halbleiterelemente benutzt werden, wie sie unter dem Namen Vierschichttriode,
steuerbare Siliziumzelle oder Thyristor bekannt sind. Hier ist das Steuergerät so
zu gestalten, daß Stromimpulse erzeugt werden, die den Steuerelektroden dieser Ventile
zugeführt werden.
-
Erfindungsgemäß sind die Steuerspannungen für das Steuergerät des
eingangs beschriebenen drehzahlgesteuerten Motorantriebes als Summe von je zwei
Teilspannungen des Motors gebildet, von denen die einen Teilspannungen ein Teil
der Spannungen an
den Ankerklemmen des Stromrichtermotors und die
anderen Teilspannungen vom gesteuerten Ankerstrom abhängige Zusatzspannungen sind,
deren Größe und Richtungssinn so gewählt sind, daß die in den ersten Teilspannungen
enthaltenen stromabhängigen Spannungsverzerrungen durch diese Zusatzspannungen nahezu
aufgehoben sind.
-
Wäre die Klemmenspannung des Stromrichtermotors frei von Oberwellen
und anderen Verzerrungen, könnte unmittelbar ein Teil dieser Spannung als Steuerspannung
verwendet werden. Diese Voraussetzung ist jedoch bei Stromrichtermotoren nicht erfüllt.
Die Klemmenspannung wird einmal durch das Zusammenbrechen der verketteten Spannung
zwischen zwei Strängen der Ankerwicklung während der Kommutierung der Strangströme
und zum anderen durch Spannungsabfälle des stark oberwellenhaltigen Ankerstromes
erheblich verzerrt. Neben einer unerwünschten Verschiebung des Nulldurchganges der
Steuerspannungen gegenüber dem Nulldurchgang der in der Ankerwicklung vom Hauptfeld
induzierten Spannungen, welche allein für die Festlegung des Zündverzögerungswinkels
heranzuziehen sind, bedingen diese Verzerrungen weitere Vorzeichenwechsel der Klemmenspannung
während einer Periode. Das Steuergerät kann hierdurch zur Auslösung mehrerer Zündimpulse
je Periode veranlaßt werden, so daß ein störungsfreier Betrieb des Wechselrichters
nicht mehr möglich ist.
-
Da die genannten Verzerrungen der Klemmenspannungen, einschließlich
der Kommutierungseinflüsse, physikalisch mit guter Näherung als Spannungsabfälle
des Ankerstromes an der Subtransientreaktanz des Stromrichtermotors beschrieben
werden können, die sich der rein sinusförmigen, vom Hauptfeld induzierten Ankerspannung
überlagern, können diese durch eine vom gesteuerten Ankerstrom abhängige Zusatzspannung
im Eingangskreis des Steuergerätes aufgehoben werden.
-
In Verbindung mit einem Stromrichterumkehrmotor mit zwei über je eine
Umrichtergruppe unmittelbar aus dem Drehstromnetz gespeisten Ankerwicklungen ist
es an sich bekannt, dem Steuergerät jeder Umrichtergruppe eine in den Drehstromzuleitungen
jeder Umrichtergruppe abgegriffene, stromabhängige Zusatzsteuerspannung zuzuführen.
Dabei wird jedoch dem Steuergerät der einen Stromrichtergruppe jeweils die dem Strom
der anderen Stromrichtergruppe proportionale Zusatzsteuerspannung zugeführt, um
bei Absinken der Ströme unter einen bestimmten Wert das generatorische Arbeiten
der einen Wicklung einzuleiten.
-
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung werden in Reihe mit den
einzelnen Strängen der Ankerwicklung des Stromrichtermotors Drosselspulen geschaltet,
an denen die vom gesteuerten Ankerstrom abhängigen Zusatzspannungen abgegriffen
werden.
-
Weitere Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung
ausgeführt, die durch die Zeichnungen erläutert wird. F i g. 1 zeigt das Schaltbild
eines sechspulsigen Stromrichtermotors mit einer Steuerung gemäß der Erfindung;
F i g. 2 stellt den Verlauf der Klemmenspannung und der Steuerspannung eines Stranges
für das Steuergerät dar; F i g. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
F i g. 4 zeigt eine Anwendung der Erfindung zur Steuerung eines zwölfpulsigen Stromrichtermotors.
-
F i g. 1 zeigt einen Stromrichtermotor 1 in der Bauart eines Synchronmotors
mit durch Gleichstrom erregtem Polrad, dessen Ankerwicklung 2 in Stern geschaltet
ist. Dem Stromrichtermotor wird aus einem Drehstromnetz mit den Phasen
R, S und T
über einen Stromrichtertransformator 4 mit der Primärwicklung
4a und der Sekundärwicklung 4b, einen Gleichrichter 5, der von einem Steuergerät
5a gesteuert werden kann, einen Gleichstromzwischenkreis 6, der eine Glättungsdrossel
6a enthält, und einen Wechselrichter 7 Energie zugeführt. Zusammen mit den in Drehstrombrückenschaltung
angeordneten Ventilen des Wechselrichters 7 ergibt sich eine sechspulsige Arbeitsweise
des Stromrichtermotors 1. Die Stromrichterventile des Gleichrichters 5 und des Wechselrichters
7 können Quecksilberdampfstromrichter oder steuerbare Vierschicht-Halbleiterelemente
sein. Der Gleichrichter 5 kann auch mit nichtsteuerbaren Halbleitergleichrichtern
ausgeführt werden, wenn der Stromrichtertransformator 4 eine mit Anzapfungen versehene
Wicklung zur Spannungseinstellung erhält.
-
In Reihe mit den Strängen 2 der Ankerwicklung sind Drosselspulen 8
geschaltet. Die als Summenspannungen aus den beiden Teilspannungen zu bildenden
Steuerspannungen Ust für das Steuergerät 12 der. Wechselrichterventile werden
zwischen den Verbindungspunkten 9 der Drosselspulen 8 mit den Klemmen der Ankerwicklung
2 und Anzapfungen 10 an einem Spannungsteiler 11 abgegriffen und dem Steuergerät
12
zugeführt. Dabei ist ein Stellglied 13 dem Steuergerät vorgeschaltet, um
die Phasenverschiebung der Steuerspannungen in gewünschter Weise einzustellen. Der
Spannungsteiler 11 kann als Spartransformator ausgeführt sein.
-
In F i g. 2 zeigt Kurve a den Verlauf der Klemmenspannung UZ" unter
Berücksichtigung der Kommutierungsvorgänge und der Spannungsabfälle der Stromoberwellen
an der Subtransientinduktivität Lä '
der Ankerwicklung. Es gilt für die Spannung
U", die Beziehung
wobei Uh die vom Hauptfeld in der Ankerwicklung induzierte Spannung und Lk
die Induktivität der Drosselspulen bedeuten.
-
Die Steuerspannungen Ust für das Steuergerät 12,
deren Verlauf
für einen Strang durch die Kurve b in F i g. 2 schematisch dargestellt ist, hat
die Größe
wenn die Dimensionierungskonstante I: zu
gewählt wird. Wie die in der Ankerwicklung vom Hauptfeld induzierte Spannung Uh,
zeigt nunmehr auch die Steuerspannung Ust eines Stranges einen praktisch sinusförmigen
Verlauf.
Zweckmäßig wird die Induktivität Lx: klein gegenüber der
Subtransientinduktivität L,1" gewählt, um die Kommutierungsdauer nicht unzulässig
zu erhöhen. Es ist daher gegebenenfalls eine Verstärkung der Spannung Ust durch
einen vor den Eingang des Steuergerätes geschalteten ruhenden Verstärker bekannter
Bauart notwendig. Zur Berücksichtigung des ohmschen Widerstandes Ra der Ankerwicklung,
der bei kleinen Frequenzen der Klemmenspannung von z. B. 5 bis 10 Hz gegenüber der
jetzt auch kleinen Subtransientreaktanz Xd ' nicht mehr zu vernachlässigen
ist, wird das Verhältnis ohmscher Widerstand zu Induktivität der Drosselspulen 8
wie das Verhältnis R" zu Ld ' der Ankerwicklung gewählt.
-
F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung für einen
nach F i g. 1 geschalteten Stromrichtermotor. In Reihe mit der Ankerwicklung 2 sind
Stromwandler 20 mit Primärwicklungen 20a und Sekundärwicklungen 20b geschaltet,
in deren Sekundärkreis Drosselspulen 21 zur Erzeugung der vom gesteuerten Ankerstrom
abhängigen Zusatzspannung angeordnet sind. An Stelle des Spannungsteilers 11 nach
F i g. 1 ist hier ein Spannungswandler 22 mit einer Primärwicklung 22a und einer
Sekundärwicklung 22b vorgesehen, dessen Sekundärspannung je Strang in Reihe mit
der an den Drosseln 21 erzeugten Spannung zur Bildung der Summen-Steuerspannung
geschaltet wird.
-
F i g. 4 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen zwölfpulsigen
Stromrichtermotor 30 in der Bauart eines Synchronmotors. Hierbei erhält der Anker
zwei um 30° elektrisch versetzt angeordnete Drehstromwicklungen 31, 32, von denen
eine jede mit einem Wechselrichter 40, 41 in Drehstrombrückenschaltung verbunden
ist. In Reihe mit jedem Strang der beiden Ankerwicklungen sind wieder Drosselspulen
33, 34 zur Erzeugung der vom gesteuerten Ankerstrom abhängigen Zusatzspannung vorgesehen.
-
Da beide Ankerwicklungen durch Streuflüsse miteinander magnetisch
gekoppelt sind, übertragen sich die Verzerrungen in den Spannungskurven einer Wicklung
auch auf die Klemmenspannungen der anderen Wicklung, so daß die Kurvenform der Klemmenspannung
insgesamt noch wesentlich stärker durch stromabhängige Spannungen beeinflußt wird.
Zur Berücksichtigung dieser gegenseitigen Verkettung werden die Steuerspannungen
für die Steuergeräte 42, 43 nicht nur durch die Überlagerung von an den Drosselspulen
33, 34 und den Spannungsteilern 35, 36 abgenommener Teilspannungen gebildet, sondern
es werden diesen Steuerspannungen noch durch die Größe der gegenseitigen Streuinduktivität
bestimmte weitere Anteile hinzugefügt. Diese letztgenannten Spannungsanteile werden
an Zusatzwicklungen 37', 37" bzw. 38', 38", welche magnetisch mit den Drosselspulen
33, 34 gekoppelt sind, abgegriffen.
-
Zur Erzeugung der gegeninduktiven Kompensationsspannung dienen immer
zwei in Reihe geschaltete, gleiche Zusatzwicklungen 37' und 37" bzw. 38' und 38
", die nach Art einer Zickzackschaltung auf zwei verschiedene Drosselspulen verteilt
sind. Durch diese Maßnahme wird bei der Herleitung der Steuerspannungen auch der
räumlichen Phasenverschiebung zwischen den Ankerwicklungen 31, 32 Rechnung getragen.
-
So wird die Steuerspannung, welche dem Steuergerät 42 zur Zündung
der z. B. mit dem Strang V1 verbundenen Ventile des Wechselrichters 40 zugeführt
wird, aus einer an einem Spannungsteiler 35 abgegriffenen Teilspannung, aus einer
an der in Reihe mit dem Strang V; geschalteten Drosselspule 33 entwickelten Zusatzspannung
und aus dem an den Wicklungen 38' und 38" der Drosselspulen 34 in den Strängen L
. und Kl# der benachbarten Wicklung 2 anliegenden Teilspannungen zusammengesetzt.
In F i g. 4 sind die Steuerstromkreise für nur 2 Stränge vollständig dargestellt;
die Steuerstromkreise für die restlichen Stränge ergeben sich leicht auf Grund der
eben erläuterten Schaltungsmerkmale. Jedem der Steuergeräte 42, 43 ist ein Stellglied
44, 45 vorgeschaltet, um den erforderlichen Zündverzögerungswinkel der Ventile einzustellen.