DE1413998B2 - Anordnung zur steuerung oder regelung des stromes eines netz gefuehrten mehrphasenwechselrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung oder Regelung des Stromes eines netzgeführten Mehrphasenwechselrichters mit steuerbaren Ventilen.

Es sind Impulsschaltungen bekannt, die es gestatten, eine Gleichspannung in eine Gleichspannung anderer Größe umzuformen. Solche Impulsschaltungen arbeiten mit steuerbaren Halbleiterelementen, welche durch negative Kondensatorströme im Takt der Impulsfrequenz gelöscht werden. Die Impulsfrequenzen, die mit derartigen Anordnungen erreichbar sind, können sehr viel größer sein als die Netzfrequenz von 50 Hz, wenn als Impulsschalter beispielsweise steuerbare Halbleiterventile verwendet werden, die infolge ihrer kleinen Freiwerdezeit Frequenzen bis 5000 Hz und darüber zulassen. Diese hohen Frequenzen haben den Vorteil, daß sie zur späteren Glättung der Impulsströme nur verhältnismäßig geringe Glättungsmittel, wie Drosseln und Kondensatoren, erfordern.

Es ist ferner eine Gleichrichteranordnung bekannt, bei der der Gleichrichter voll und fest ausgesteuert ist und die Gleichspannung durch eine Impulsschaltung geregelt wird (deutsche Ausleeeschrift 1 049 962).

Weiterhin wurde auch bereits eine Schaltungsanordnung beschrieben, bei welcher in Reihe mit einer Gleichstromquelle und einem Gleichstromausgang eine Drossel und parallel zum Gleichstromausgang ein im Schaltbetrieb arbeitendes Halbleiterventil geschaltet ist (britische Patentschrift 872 776).

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch den Einsatz eines steuerbaren Halbleiterventils als Impulsschalter eine sich durch geringen Aufwand und durch hohe Betriebssicherheit auszeichnende Anordnung zur Steuerung oder Regelung des Stromes eines netzgeführten Mehrphasenwechselrichters mit steuerbaren Ventilen aufzubauen.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindiingsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zu dem Eingang des Wechselrichters ein im Schaltbetrieb arbeitendes Halbleiterventil und auf der schaltungsmäßig von dem Wechselrichter abgewandten Seite des Halbleiterventils eine Drossel in Reihe mit dem Eingang des Wechselrichters vorgesehen und die Steuereinrichtungen des Wechselrichters und des Halbleiterventils derart ausgebildet sind, daß der Wechselrichter mit einem festen Steuerwinkel betrieben wird, daß die Schaltfrequenz des Halbleiterventils groß gegenüber der Netzfrequenz ist und daß das Tastverhältnis des Halbleiterventils zur Steuerung oder Regelung des Stromes des Wechselrichters veränderbar ist.

Der durch die Erfindung erzielbare Vorteil besteht darin, daß für den Wechselrichter zwar gesteuerte Halbleiterventile erforderlich sind, aber die Steuerung dieser Ventile fest eingestellt sein kann, und zwar auf volle Gleichspannung. Dadurch werden die mit der üblichen Herabsteuerung des Wechselrichters verbundenen Nachteile, nämlich höhere Beanspruchung der Halbleiterventile durch Sprungspannungen, größerer Oberwellengehalt der Phasenströme und hohe Steuerblindleistung, vermieden. Um die hohe Impulsfrequenz vom Wechselstromnetz fernzuhalten, können Siebmitte], beispielsweise Tiefpaßfilter, vorgesehen werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet noch einen weiteren Vorteil. Bekanntlich existiert für einen Wechselrichter eine Trittgrenze, bei deren Überschreitung, beispielsweise durch zu hohe Belastung oder durch Absenkung der Wechselspannung, Kurzschlüsse auftreten. Diese Kurzschlüsse sind bei dem Wechselrichter nach der Erfindung 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 zwischen den Phasen kommutierender Wechselrichter, sondern ledig-Hch ein Verteiler der Impulsströme auf die verschiedenen Wechselstromphasen. Dies hat zur Folge, daß bei der Wechselrichtersteuerung nicht der sonst übliche Respektabstand 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.

An Hand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird dabei in Zusammenarbeit mit einem auf eine Gleichstromsammelschiene speisenden Gleichrichter dargestellt, wobei als Verbraucher an der Gleichstromsammeischiene eine über einen Wechselrichter gespeiste Asynchronmaschine mit Schleifringläufer vorgesehen ist.

An ein Drehstromnetz 1 sind ein Gleichrichter 2 und ein Wechselrichter 3 angeschlossen. Der zugehörige Wechselrichtertransformator 13 ist der Übersichtlichkeit halber in einfacher Sternschaltung dargestellt. Der Gleichrichter 2 und der Wechselrichter 3 sind gleichspannungsseitig über Tastschaltungen mit einer Gleichspannungssammelschiene 10 der Spannung U_g verbunden. Die Tastschaltungen bestehen aus löschbaren Halbleiterventilen 4 und 5, Drosseln 6 und 7 und einer Freilaufdiode 8. Damit die Tastschaltung mit dem Halbleiterventil 4 ordnungsgemäß arbeitet, muß die Gleichspannung U_so am Ausgang

des Gleichrichters 2 stets größer sein als die Spannung Ug. Andererseits muß die Spannung U_g kleiner sein als die Spannung des Wechselrichters 3, damit der Strom des Wechselrichters durch periodisches Schalten des Halbleiterventils 5 verändert werden kann. Die steuerbaren Halbleiterventile des Wechselrichters 3 werden durch eine Steuereinrichtung 12 je etwa bis 120° offengehalten, und zwar während der Zeiten, in denen die zugehörige Wechselphasenspannung ihre Höchstwerte hat. Will man induktiven Blindstrom vom Wechselrichter in das Netz zurückgeben, so kann man die Zündzeiten der steuerbaren Halbleiterelemente auch über den Phasenschnittpunkt hinaus ein gewisses Maß verzögern.

An die Gleichspannungssammelschiene 10 ist ein weiterer Wechselrichter 18 angeschlossen, welcher einen Asynchronmotor 19 speist. Da der Asynchronmotor 19 Blindstrom benötigt, muß der Wechselrichter 18 mit Blindstromventilen ausgerüstet sein, d. h., er muß vorübergehend Leistung über die Gleichspannungssammelschiene 10 zurückgeben. Damit der Betrieb des Wechselrichters 18 vom Betriebszustand des Asynchronmotors 19 unabhängig wird, kann er in bekannter Weise mit Phasensperrventilen zur Zwangskommutierung ausgerüstet werden. Für die dabei aus der Gleichspannungssammelschiene 10 aufzunehmenden bzw. abzugebenden Kondensatorstromstöße ist ein Kondensator 20 vorgesehen. Dieser Kondensator glättet gleichzeitig im Zusammenwirken mit den Drosseln 6 und 7 die Gleichspannung U_g, die an sich auch bei kleinen Beträgen der Spannung im wesentlichen nur Oberwellen der Tastfrequenz enthält, d. h. einer Frequenz, welche wesentlich größer ist als die Frequenz des Netzes 1 und daher verhältnismäßig leicht geglättet werden kann. Der in der Zeichnung dargestellte Asynchronmotor 19 hat einen Schleifringläufer, der über einen Gleichrichter 9 auf eine weitere Impulsschaltung 11 arbeitet und somit Gleichstromenergie in die Gleichspannungssammelschiene 10 zurückliefern kann. Zu dem Zweck muß die Spannung des Gleichrichters 9 stets kleiner sein als die Spannung U_g der Gleichspannungssammelschiene 10. Dabei wird dem Gleichrichter 9 geglätteter Gleichstrom I_{2 g} entnommen. In die Gleichspannungssammelschiene 10 werden dagegen Impulsströme i_2g geliefert, welche durch den Kondensator 20 geglättet werden. Die Drehzahl η des Asynchronmotors 19 hängt einmal von der Wechselrichterfrequenz /₂ ab, die willkürlich eingestellt werden kann, andererseits jedoch bei gegebenem Drehmoment der Arbeitsmaschine 14 von der Wirkkomponente des Rotorstromes I₂, die durch die Impulsschaltung 11 verändert werden kann, so daß der Motor bei fester Frequenz /., und wechselndem Drehmoment der Arbeitsmaschine 14 auf konstante Drehzahl geregelt werden kann. Um kleinere oder größere Umdrehungszahlen des Asynchronmotors 19 zu erreichen, kann man die Frequenz f₂ kleiner oder größer einstellen. Dabei muß, wenn der normale Kraftfluß im Asynchronmotor 19 erhalten bleiben soll, die Spannung U_g etwas proportional mit der Frequenz /₂ absinken bzw. ansteigen. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß in einem Umsetzer 15 eine der Frequenz/₂ entsprechende Gleichspannung U_gsM einer Steuereinrichtung 16 zugeführt wird. Der letztgenannten Steuerung wird auch die Gleichspannung U_g als Istwert E/g _ist zugeführt. Aus dem Vergleich beider erzeugt die Steuereinrichtung 16 die Zünd- und Löschimpulse für die Halbleiterventile 4 und 5 derart, daß sich die gewünschte Gleichspannung U_g einstellt und daß außerdem der Kreisstrom in vorgegebenen Grenzen bleibt. Man kann auch die Frequenz /., mit dem Sollwert der Drehzahl n_soll in solcher Weise koppeln, daß sich ein den jeweiligen Betriebsbedingungen der Arbeitsmaschine 14 entsprechendes optimales Verhalten des Antriebes ergibt. Das heißt, /., und U_g sind derart aufeinander abzustimmen bzw. zu regeln, daß die über die Tastschaltung 11 zurückgegebene Leistung möglichst klein wird. Unter Umständen ist es auch möglich, statt eines Schleifringläufers einen Kurzschlußläufer zu verwenden. In diesem Fall müssen /₂ und U_g in ganz bestimmter Weise miteinander gekoppelt werden, um einen gewünschten Fluß im Asynchronmotor 19 aufrechtzuerhalten. Wenn man dabei auch eine bestimmte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie erreichen will, muß man die Istdrehzahl n_[st über eine Tachomaschine 17 erfassen und gleichzeitig mit der Frequenz /., und der Spannung U_g einem Regler 21 zuführen.

Auch wenn der Wechselrichter 18 eine Synchronmaschine speisen soll, ist eine Kopplung der Frequenz /., mit der Spannung U_g erforderlich, um in der Synchronmaschine über einen weiten Frequenzbereich den günstigsten Fluß aufrechtzuerhalten. Soll die Drehrichtung der Synchronmaschine umgekehrt werden, so braucht man nicht einzelne Phasen der Wechselspannung bzw. der Mehrphasenspannung zu vertauschen, vielmehr kann man die Phasenfolge der Steuerung der Halbleiterventile des Wechselrichters vertauschen, wobei vorübergehend die Gleichspannung U_g durch die Halbleiterventile 4 und 5 auf Null gebracht werden kann.

Die vorstehend erläuterte Anordnung wird vorzugsweise für regelbare Antriebe aller Art verwendet, beispielsweise für Hubwerke, Kräne, Aufzüge, Förderanlagen, Walzwerksantriebe, Schiffsantriebe oder elektrische Wechselstrombahnen. Die Anordnung arbeitet nicht nur, wie in dem Beispiel dargestellt ist, an dreiphasigen, sondern auch an höherphasigen Wechselstromnetzen. Ebenso kann der Wechselrichter 18 hochphasig ausgeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung oder Regelung des Stromes eines netzgeführten Mehrphasenwechselrichters mit steuerbaren Ventilen, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Eingang des Wechselrichters (3) ein im Schaltbetrieb arbeitendes Halbleiterventil (5) und auf der schaltungsmäßig von dem Wechselrichter (3) abgewandten Seite des Halbleiterventils (5) eine Drossel (7) in Reihe mit dem Eingang des Wechselrichters (3) vorgesehen und die Steuereinrichtungen (12, 16) des Wechselrichters (3) und des Halbleiterventils (5) derart ausgebildet sind, daß der Wechselrichter (3) mit einem festen Steuerwinkel betrieben wird, daß die Schaltfrequenz des Halbleiterventils (5) groß gegenüber der Netzfrequenz ist und daß das Tastverhältnis des Halbleiterventils (5) zur Steuerung oder Regelung des Stromes des Wechselrichters (3) veränderbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Siebmittel (C₁, L₁), insbesondere Kondensatoren, auf der Wechselstromseite zur Umformung der Stromimpulse in Grundwellenströme.