DE1413998A1 - Gleichrichter oder Wechselrichter mit gesteuerter oder geregelter Ausgangs- bzw. Eingangsgleichspannung - Google Patents

Description

• .l"Gleichrichter oder '':;eohselrichter mit gesteuerter oder geregel-

  ter Ausgangs-. b$w. Eingangsgleichspannung".

  sssasassssssss:sasasssassassssssssssssssssassasasasasmsasasssasaa

  Es sind Impulsschaltungen vorgeschlagen wdrden,die es ge-

  Btattep,--eine Gleichspannung in eine Gleichspannung anderer

  Grdße-uazutormen.-ßolche Impulsschaltungen arbeiten beispielawei-

  ,se mit-steuerbaren Hulbleiterelementen,welche durch negative Kon-

  Aensatorstäße im Takt der Impulsfrequenz gelöscht werden. Die

  Impulsfrequenzen,die mit derartigen Anordnungen erreichbar sind,

  -können sehr vielgrößer sein als die übliche Netzfrequenz von 50

  Ha, wenn als Impulsschalter beispielsweise Halbleiterelemente

  verwendet werden,die infolge ihrer kleinen Freiwerdezeit Frequen-'

  :.aen-bis.5000 Hz und darüber zulassen.Diese hohen Frequenzen haben

  den-Vorteil,daß sie zut späteren Glättung der Impulsströme nur

  verhältnismässig geringe Glättungsmittel,insbesondore Drosseln

  .und-:_Kondensatoren, erfordern.

  -Die lefindung betrifft einen Gleichrichter oder@Nechsel-

  1-riohter mit gesteuerter oder geregelter Ausgangs- bzw. Eingangs-

  gleichapannung. Erfindungsgemäß ist der Gleichrichter oder .

  Zechselrichter im wesentlichen voll und fest ausgesteuert, und

  die Gleichspannung wird durch eine Impulsschaltung geregelt

  oder gesteuert:

  Durch diese Kombination erhält man eine gesteuerte baw. geregelte

  Gleichspannung,wie man sie auch dann erhalten würde! wenn man.den

  Gleichrichter oder ,lf'echselrichter in bekannter 'eise durch Zünd-

  verzögerung in der Gleichspannung steuerbar ausfuhren würde. Die

  Anordnung nach der lefindung hat verschiedene Vorteile. So braucht

  man für den Gleichrichter nur einfache, ungesteuerte Dioden. Für

  den :iechselrichter sind zwar gesteuerte Dioden erforderlich,aber

  die Steuerung dieser Trioden kann im wesentlichen test einge-

  stellt sein, und zwar im wesentlichen auf volle Gleichspannung.

  Dadurch werden die mit der üblichen Herabsteuerung der Gleich-

  oder Techselrichter verbundenen Nachteile,nämlich höhere Bean-

  spruchung dar Halbleiterelemente durch Sprungspannungen, größerer

  Oberwellengehalt der Phasenströme und hohe Steuerblindleistung,

  vermieden. Um die hohe Impulsfrequenz vom Teehnelstromnet$ fern-

  zuhalten, können Siebmittel, beispielsweise Tiefpäanev vorgesehen

  werden, wie sie in der noch zu erläuternden Zeichnung mit C', Z'

  bzw. "-i s Zi angedeutet sind. Unter Umständen können die darin

  gezeichneten Heaktanzen L' und L,# eiaE;espart werden, wenn nämlich

  das speisende Wechsel- oder Drehstromnetz genügend hohe Indukti-

  vitäten aufweint.

  Der Betrieb eines .7echselrichters nach der Erfindung bietet noch

  einen weiteren grundlegenden Vorteil. Bekanntlich existiert für

  einen 'lechselricht.er eine Trittgrenze, bei deren Cbei#schreitung,

  beispielsweise durch-zu-hohe Belastung oder durch Absenkung der

  fechselapannung, Kurzschlüsse ,Ruftroten.,-.Dieee XuruschlUese sind

  bei dem lechselrichter nach der Erßndung unmöglich, da dem

  Wechselrichter von der Gleichstromseite nur Impulsströme zugeführt werden, d.h. Ströme, die von sich aus periodisch im Takt der Impulsfrequenz erlöschen. Der Wechselrichter ist also in der Anordnung nach der Erfindung kein eigentlicher, d.h. zwischen den Phasen kommutierender "dechaelrichter, sondern lediglich ein Verteiler der'jmpulsströme auf .die verschiedenen liechselstromphasen. Dies hat zur folge, daß bei der Wechselrichtersteuerung nicht der sonst übliche Respektsabstand eingehalten zu werden braucht, vielmehr können die Zündzeitpunkte genau auf den Schnittpunkt der Phasenspannungen eingestellt sein,was besonders kleine Oberwellen und kleine'Blindleistung zur Folge hat. Jag man kann sogar sowohl beim Wechselrichter als auch beim Gleichrichter die Zündimpulse derart verzögern bzw. vorverlegen,daß diese Geräte induktive Grundwellenströme in das Wechselstromnetz liefern, statt wie bei üblichen Stromrichtern solche induktiven Ströme aufzunehmen. Der Gleich- bzw. Wechselrichter arbeitet dann wie ein Stromrichter mit Zwangskommutierung, wobei aber die Zwangskommutierung nicht mit den Dioden bzw. Trioden der einzelnen Phasen, sondern mit den Schaltelementen der Impulsschaltung vorgenommen wird.
• Bekanntlich werden zum regelbaren Antrieb von Gleichstrommotoren vielfach sogenannte Antiparallelschaltungen benutzt, d.h. ein Gleichrichter und ein:@@echselrichter, die an die gleiche Gleich spannungssammelschiene angeschlossen sind, so daß ein Kreisstrom vom Gleichrichter in den Wechselrichter fließen kann. Die Drehzahl

  des Gleichstrommotors läßt sich dabei durch Aussteuerung des

  Gleich- und trechselrichtörs in weiten Grenzen regeln.

  Das gleiche Ergebnis erzielt man in einer Weiterbildung der Er-,

  findung dadurch,daß-man die Kombination eines Gleichrichters und

  eines Wechselrichters mit je'einer .Impulsschaltung an die gleiche

  Gleichspannungssammelschiene schaltet und an diese Oamuelsahiene

  den zu regelnden Gleichstrommotor anschließt., Man kann. in-diesem .

  Fall durch Regelung bzw. Steuerung der beiden Impulesohaltungen

  die Gleichspannung von Null bis zu ihrlem vollen.:Ort regeln,

  gleichzeitig aber auch den Kreisstrom in gewünschten en hal-

  ten baw. ganz unterdrücken. Soll die DrehrichtunKdes Notors

  geändert werden,so kann man beispielsweise einen Ankertmsohalter

  verwenden a

  .--Nach einem weiteren

  an. die gemeinsame

  Gleichspannungssammelschiene ein 's`iechselriohter angeschlossene

  welcher seinerseits einen Jechseistrommotor betreibt. Der Wech-

  selrichter kann beispielsweise für veränderliche Ausgangsfre-

  quenz und konstante Spannung ausgelegt sein und kann bei drei-

  phasiger Ausf Ührung einen normalen Adynchronwtor speiset. mit

  abnehmender Frequenz muß dabei die Spannung@am lfotor angenähert

  linear abnehmen,was mit Hilfe der auf die Gleichspanmtngsseuseel-

  schiene arbeitenden TEstschaltungen des Gleich- und Wechselrich-

  ters erfolgen kann.

  Man kann an .den :-7echselrichter auch andere Wecheelatroamasahinen,

  beispielsweise Synchronmaschinen beliebiger Art, an sehließen.

  .%% Ha" einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel

  der Eriinduag dargästellt. A einem Drehatromnete 1 arbeiten

  eiu Gleichrlohter 2 und ein Wechselrichter 3. Der illechselrichter

  ist der Oberaichtlichkeit halber in einfacher Sternschaltung

  des Transformators 15 dargestellt. Die Gleichspannurgsseite des

  'Gleichrichtern 2 und des Weohselrichters 3 arbeiten 'äber Tast-

  achaltungen auf eine Gleichspannungssammels(Wene 10 der Span-

  nung Ug. Die . Fastschaltungen bestehen beispi elsweise aus lösch-

  baren Haibleitereleisnten 4, und Drosseln 6 und 7 und, einer

  Freilauxdiode B. Damit. diese Tastschaitungen ordnungsgemäß ar-

  _beiten,muß die Gleichaparng Ugo am Ausgang de4Gleichriehters 2

  stets größer sein al.e die Spannung. U g, andererseits muß die

  Spannung Ug kleiner sein als die Spannung des lechselrichtere 3,

  damit durch periodisches- Gühalten des Halbleiterelementes 5 ein

  Utrom in den Wechselrichter in regelbarer gleise hineingedrückt

  Werden kann. Die steuerbaren Halbleiterelemente des Wechselrich-

  ters 3 werden. durch eine Steuerung 12 je etwa 1200 offen gehalten,

  und zwar während der Zeltenvwo die zugehörige :itechsel#

  phasenspannung ihre Höchstwerte hat..Will man induktiven Blind-

  strom vom Uiechselrichter in das Netz zurückgebenlso kann man die

  Zündzeiten der steuerbaren Halbleiterelemente: auch über den

  Phasenschnittpunkt hinaus .ein gewisses Maß verzögern. An die

  Gleichspannung U9 ist ein weiterer Wechselrichter 18 ange"schlos-

  .

  sen,welcher einen Asynchronmotor 19 speist. Da der Asynehronmotor,

  19 Blindstrom .benötigt.muß der . Wechselrichter 't8 mit Blindetron-

  Ventilen ausgerüstet seiu,d.h., er muß vorUbergehend Leistungen

  über die Gleichspannungssammelsehiene 10 zurückgeben. Damit der

  Betrieb des Wechselrichters 18 vom Betriebesustand*deo Asynehron-

  motors 19 unabhängig wirdg kann er In bekannter Weine mit

  Phasensperrventilen und Zwangskommutierung ausgerüstet werden.

  Die dabei aus der Gleichspannungssammelschiene 10 aufzunehmenden

  bzw. abzugebenden Konaensatorstrometöde ni»t ein Kondensator 20

  auf. Dieser Kondensator glättet gleichzeitig im Zusammenwirken

  mit den Drosseln 6 und*? die Gleichepannung ITg9@die,ag sich auch

  bei kleinen Beträgen der Spannung im wesentlichen nur@Oberwellen

  der Testfrequenz enthält, d.h. einer Prequens,welehe wesentlich

  größer ist als die Frequenz den Netzes 1*und dahär verhältnis-

  mässig leicht geglättet werden kann: Der in der Zeichnung darge-

  stellte Asynchronmotor 19 hat einen *aehlƒifrixiglbüferlder über

  einen Gleichrichter 9 auf eine weitere Impulsschaltung 11 arbei-

  tet und über letztere Gleichstromenergie in die Gleiohspannungs-

  ßammelschiene 10 xurückliefern kann. Zu dem Zweck muB die Span-

  nung des Gleichrichters 9 stets kleiner sein als die Spannung

  U9 der Gleichspannungssammelschiene 10. Dabei wird dem Gleich-

  richter 9 geglätteter Gleichstrom I2 entnommen. In die Gleich-

  2S

  spannungasammelschiene 10 werden dagegen Impulsströme 12g ge--

  lieferttwelche durch den Kondensator 20 geglättet werden. Die

  Drehzahl n des Asynchronmotors 19 hängt eismal von der jechsel-

  richterfrequenz f2 ab, die willkürlich eingestellt werden kann,

  andererseits jedoch boi gegebenem Drehnoment der Arbeitsmaschine

  14 von der ;:irkkomponente den Motorstromes 129 die durch die.

  Impulsschaltung 11 geregelt werden kann, so daß der Motor bei.

  fester Frequenz f2 und wechselndem Drehmoment der Arbeitsmaschine 14 auf konstante Drehzahl n geregelt werden kann. Um kleinere oder größere Umdrehungszahlen des Asynehronmotors 19 zu erreichen, kann man die Frequenz f2-kleiner oder größer einstellen bzw. einregeln, Dabei muß,wenn der normale Kraftfluß im Asynchronmotor 19 erhalten bleiben soll, die Spannung Ug etwa proportional mit der Frequenz -f2 absinken bzw. ansteigen. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß in einem Umsetzer 15 eine der Frequenz f2 entsprechende Gleichspannung Ugsoll einer Steuerung 16 zugeführt wird. Der letztgenannten Steuerung wird auch -die Gleichspannung Ug als Istwert Ugist zugeführt. Aus dem Vergleich bei-der erzeugt die fiteuerung 16 die Zünd- und Wachimpulse für die Halbleiterelemente 4 und 5 derart, daß sich die gewünschte Gleichspannung Ug einstellt und außerdem der Kreisstrom in vorgegebenen Grenzen bleibt bzw. unterdrückt wird. Iran kann such die Frequenz f2 mit dem Sollwert der Drehzahl essoll in solcher :`leise koppeln, daß sich ein den jeweiligen Betriebsbedingungen der Arbeitsmaschine 14 entsprechendes optimales Verhalten des Antriebes ergibt. Das heißt beispielsweise, f2 und U, sind derart aufeinander abzustimmen bzw. zu regeln, daß die über die Testschaltung 11 zurückgegebene Rotorleistung möglichst klein wird. Unter Umständen ist es auch möglich,stett eines Schleifringläufers einen Kurzschlußläufer zu verwenden. In diesem Fall müssen f2 und U9 in ganz bestimmter Weise miteinander gekoppelt Urerden, um einen gewünschten Fluß im Asynchronmotor 19 aufrecht zu erhalten. Wenn man dabei auch eine bestimmte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie

  erreichen will, muß man die Istdrehzahl n ist z.B.über eine

  Tachomaschine `t7 erfassen und gleichzeitig mit der Frequenz f2

  und der Spannung U9 in einem Regler 21 verarbeiten.

  Auch wenn der ;rechselrichter 18 z.B. eine Synchronmaschine spei-

  sen soll, ist eine Kopplung der Frequenz f2 mit der Spannung U9

  erforderlich, um in der Synchronmaschine über einen weiten Fre-

  quenzbereich den günstigsten Fluß aufrecht zu erhalten. Soll die

  Drehrichtung der Synchronmaschine umgekehrt werden, so braucht man

  nicht einzelne Phasen der Jechnelspännung b$w. der Mehrphasen-

  spannung zu vertauschen,vielmehr kann man die Phasenfolge dor

  Steuerung der Halbleiterelemente des Wechselrichters vertauschen,

  wobei vorübergehend die Gleichspannung UV durch die Halbleiter-

  elemente 4 und a auf Null gebracht werden kann.

  Die .Anordnung nach der Erfindung kann überall da mit Vorteil be-

  nutzt werden, wo eine regelbare Gleichspannung benötigt wird,äie

  entweder Leistung abgeben oder aufnehmen oder beides gleichzeitig

  ermöglichen soll. Vorzugsweise wird man die Erfindung für regel-

  bare Antriebe aller Art verwenden' beispielsweise für Hubwerke,

  Kräne, Auf züGe, Förderanlagen, :;alzwerksantriebe,.Schiffsantriebe

  oder elektrische Wechselstrombahnen. Die Anordnung nach der

  Findung arbeitet nicht nur,wie in dem Beispiel dargestellt ist!

  an dreiphasigen,sondorn auch an einphasigen oder höherphasigen

  nechselstronnetzen. Ebenso kann der Wechselrichter 18 hochphasig

  ausgeführt werden. Da die modernen Halbleiterdioden und Trioden

  nur sehr geringe SPanx@izi;,;,;stzbfälle haben,ergeben sich mit der

  Anordnung nach der Erfindung hohe Jirkungsgrade. Außerdem ist die sonst in Kauf $u nehmende Blind- und Verzerrungsleistung der Stromrichter durch die Erfindung vermieden oder auf ein geringes Maß herabgedrückt.'Die elektronischen Regelungen arbeiten darüber hinaus außerordentlich schnell,was einen Vorteil gegenüber f%ransduktorischen Regelungen bildet. Praktisch kommen auch Fälle vor, in denen man allein einen Jechsel,@richter oder allein einen Gleichrichter nach der Erfindung benötigt. blan kann auch an die Gleichspannung U9 mehrere getrennt zu regelnde Gleichstrommaschinen oder Wechselrichter mit Drehstrommotoren anschließen.Man kann die Anordnung nach der Erfindung auch benutzen,ug die variable

  Fre%enz eines Generators über einen Gleichrichter in eine

  Gleichspannung umzuformen und diese ihrerseits mit Hilfe eines !"eehselrichters in eine konstante Frequenz. Dazu ist es erforderlich, daß der Wechselrichter 3 im Gegensatz zu der Darstellung der Zeichnung nicht vom Netz 1 her kommutiert, sondern mit Zwangskommutierung ausgerüstet ist.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1@ Gleichrichter oder Wechselrichter mit gesteuerter oder geregelter Ausgangs- bzw. Fingangsgleichapannung,dadurch gekenn0 4cichnet,daß der Gleichrichter oder Wechselrichter im wesentlichen voll und fest ausgesteuert ist und die Gleichspannung durch eine Impulsschaltung geregelt oder gesteuert wird. 2) lfnordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß bei allen Betriebszuständen in den Gleich- oder Wechsel richterventilen nur Stromimpulse,nicht aber kontinuierliche Stromblöcke von der Dauer "fließen (f m Frequenz, p = Pulszahl), 3) Anordnuns nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Gleichrichters oder Wechselrichters zeitlich gegenüber dem Zeitpunkt der vollen Aussteuerung derart vor- bzw. rückverlegt ist, daß der Gleichrichter oder 1'Jechselrichter im Gegensatz zum normalen Verhalten nicht induktiven Grundwellen. blindstrom aufnimmt, sondern abgibt. 4) Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromimpulse auf der tilechselstromseite durch Siebmittel, insbesondere durch Kondensatoren, in Grundwellenströme umgeformt werden. 5) Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz wesentlich größer ist als die Xletzfrequenz, bei Verwendung von Halbleiterzellen als Impulsschalter 500 bis 5000 Hz_oder größer. 6) Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter und der Wechselrichter nach Art einer bekannten Antiparallelschaltung an einer gemeinsamen Gleichspannungssammelschiene arbeiten und der sich ausbildende Kreisstrom durch eine oder durch beide Impulsschaltungen geregelt bzwa unterdrückt wird. Anordnung nach Anspruch '( bis 6 zum Betrieb von 'Wechselstrom- oder Mehrphasenstrommaschinen,wie Asynchronmotoren oder Synchronmotoren, wobei diese über einen Wechselrichter an die Gleichspannungssammelschiene angeschlossen sind und durch Steuerung oder Regelung der Gleichspannung und der Frequenz des Wechselrichters in allen vier Drehzahl-Drehmoment-quadranten betrieben werden.