DE1438406A1

DE1438406A1 - Umrichter zur Frequenzumwandlung von Dreiphasen-Wechselstroemen

Info

Publication number: DE1438406A1
Application number: DE19611438406
Authority: DE
Inventors: Depenbrock Dipl-Ing Manfred
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1961-06-13
Filing date: 1961-06-13
Publication date: 1968-10-10
Also published as: CH398773A; US3274482A; GB1002357A; DE1438406B2

Description

4384UÖ

Brown,Boreri & Cie

Aktiengesellschaft

Mannhe im Mannheim, den 8.6.1961

Mp.-Nr. 587/61
Pat.MIi/Ru

¹¹ Umrichter zur Frequenzumwandlung von Dreiphasen-Wechselströmen "

die Umwandlung eines Dreiphasen - Wechselstromes gegebener Frequenz, beispielsweise der Netzfrequenz eines Drehstromnetzes, in einen Dreiphasen-Wechselstrom anderer Frequenz hat es sich oft als vorteilhaft erwiesen, die als Umrichter bekannten Stromrichterschaltungen mit gesteuerten Gasentladungsventilen oder mit steuerbaren Halbleiterventilen zu verwenden» Diese Umrichter haben gegenüber Maschinenumformern nicht nur den Vorzug, eine Umformung mit einem verhältnismäßig gutem Wirkungsgrad zu ermöglichen, sondern auch den weiteren Vorteil einer praktisch trägheitslosen Steuerbarkeit. Sie sind daher für eine frequenzelastische Stromumwandlung besonders geeignet.

Eine derartige bekannte Schaltung eines dreiphasigen Umrichters zur Frequenzumwandlung dreiphasiger Wechselströme ist aus drei Stromrichtern in einer Antiparallelschaltung aufgebaut, die gruppenweise in Stern geschaltet sind. Hierbei bilden die Zuleitungen der Primärwicklungen der Stromrichtertransformatoren, die auch zu einem einzigen Transformator mit gemeinsamer Primärwicklung zusammengefasst sein können, die eine Seite der Drehstromübertragung, während die Anschlußleitungen an die äußeren Sternpunkte der Stromrichterschaltung die andere Seite der Drehstromübertragung darstellen.

Eine besondere Bedeutung haben derartige Stromrichteranordnungen für die lauferseitige Erregung von Asynchronmaschinen erlangt, bei der den Läuferwicklungen ein Dreiphasenstrom der Schlupffrequenz Äiir* veränderbarer Höhe und phasenlage zugeführt werden muß. Infolge der Speisung jeder Phase der Läuferwioklung

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der Asynchronmaschine über antiparallel geschaltete Stromrichter hat man die Höhe und die Phasenlage der lauferströme relativ su der Phasenlage der läuferspannungen weitgehend in der Hand₉ so daß man auf diese Weise in der Lage" ist* die Drehzahl, Wirk-und Bündleistung der Asynchronmaschine unabhängig voneinander einzustellen oder zu regeln.

Bei einer derartigen .Stromrichterschaltung erweist es sich als steuertechnisch günstig, daß es keinen besonderen Aufwand erfordert, einen kreisstromfreien Betrieb zu erzielen, da Kreisströme nur innerhalb der antiparallelgesohalteten Stromrichter der einzelnen Phasen auftreten können. Diese Kreisströme lassen sich bekanntlich unterbinden, wenn jeweils eine Ventilgruppe der Antiparallelschaltung-.. gesperrt gehalten wird. Demgegenüber hat die Sternschaltung indessen den Nachteil, daß die verketteten Spannungen, die als Ausgangs-Wechselspannungen erscheinen, ψ$ mal größer als die von den Stromrichtern hergestellten und an den Wicklungen liegenden Phasenspannungen sind, was zur Folge hat, daß bei Bedarf relativ niedriger Verbraucherspannungen die Stromrichte^ungünstig ausgenutzt sind» Andererseits ist es, beispielsweise bei der Anwendung der Stromrichter auf die Läufererregung von Asynchronmaschinen, aus Isolationsgründen oder auch konstruktiven Gründen oft nicht möglich, die verkettete Spannung der Läuferwicklungen so hoch zu wählen, wie es für eine günstigere Ausnutzung der Entladungsventile der Stromrichter angebracht wäre ·

Diese Nachteile können, wie gezeigt werden soll, dadurch überwunden werden, daß man für die drei Stromrichteranordnungen eine Verbindung in einer Dreieckschaltung wählt. Hierbei erweist es sich als möglich, einen kreisstromfreien Betrieb auf einfache Weise dadurch zu erzielen, daß man in jedem Augenblick nur jeweils zwei Stromrichter zur Stromführung freigibt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter zur Frequenzumwandlung von Dreiphasen-Wechselströmen, insbesondere zur Erzeugung niederfrequenter Wechselströme aus netzfrequenten dreiphasigen

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Wechselströmen, die aus einer Anordnung mehrerer, mit Anwendung gesteuerter Gasentladungsstreoken oder steuerbaren Halbleiterventilen gebildeten Einzelstromrichtern besteht.Mit Rücksicht auf die beiden bestehenden Möglichkeiten der Gestaltung der Erfindung kann der Umrichter aus sechs oder auch aus drei Einzelstromrichtern zusammengesetzt sein.

Nach der ersten Ausführungsform des Umrichters sieht die Erfindung vor, drei Paare von antiparallelgeschalteten Einzelstromrichtern zusammen mit ihren speisenden Transformatorwicklungen in Dreieck zu schalten und derart zu steuern, daß in jedem Augenblick nur jeweils zwei Einzelstromriehter zur Stromftihrung freigegeben werden, während die übrigen jeweils vier Einzelstromrichter für eine Stromführung gesperrt sind, wobei die Entnahme der dem Verbraucher zugeführten dreiphasigen Wechselströme an den Eckpunkten der Dreieckschaltung erfolgt·

Nach der zweiten Ausführungsform des Umrichters sieht die Erfindung vor, drei Einzelstromriehter zusammen mit ihren speisenden Transformatorwicklungen in Dreieck zu schalten und derart zu steuern,'daß in jedem Augenblick nur jeweils zwei Einzelstromrichter zur Stromführung freigegeben werden, während der jeweils dritte Einzelstromrichter für eine Stromführung gesperrt ist, wobei die Entnahme der dem Verbraucher zugeführten dreiphasigen Wechselströme an den Eckpunkten der Dreieckschaltung erfolgt.

Bei beiden Ausführungsformen des Umrichters sollen die jeweils stromführenden Einzelstromrichter in der Weise veränderbar auggesteuert werden, daß die den Eckpunkten der Dreieckschaltungen entnommenen Wechselströme angenähert sinusförmig sind.

Die· Ausbildung derartiger Umrichter soll durch zwei Beispiele erläutert werden,die in Fig. 1-6 wiedergegeben sind. Darin stellen Fig. 1,2 zwei Prinzipschaltbilder der durch die Einzelstromriehter gebildeten Umrichter dar. Durch Fig. 4-6 sollen die angestrebten idealisierten Stromverläufe gezeigt und das je-

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wells angewendete Steuerprinzip erläutert werden_e

Pig» 1 seigt ia vereinfachter Darstellung die Prinzipsehaltung Ton drei Umrichtern, τοη denen jeuer ein Paar τοη antiparallel geschalteten Bins el Stromrichtern Torstellto Jeder dieser Einzelstromrichter ist dreiphasig ausgebildet und 'besitzt drei gesteuerte Ventile, die als steuerbare Halbleiterventile dargestellt sind, aber aueh als G-asentladungsventile ausgebildet sein können. Je zwei antiparallel gesohalteten Ventilen ist eine gemeinsame sekundäre Transformatorwioklung zugeordnet, die je eine Phasa des dreiphasigen Umrichters bildete Die Halbleiterventile für die eine Stromrichtung sind mit 1,3^5, die der anderen Stromrichtung mit 2,4,6 bezeichnet, ^en 3x6 antiparallel geschalteten Halbleiterventilen sind in der beschriebenen Weise die sekundären Transformatorwicklungen 7*8,9 zugeordnet. Die zugehörige gemeinsame Primärwicklung 10 ist in Dreieck geschaltet«,

Die in dem gezeigten Beispiel aus je drei Yentilpaaren und je einer in Stern geschalteten Transformato^icklung bestehenden Umrichter aind erfindungsgemäß in Dreieck geschaltet» Die Eckpunkte der Dreieckschaltung bilden die mit U₉TjVf bezeichneten Anschlußpunkte für den nicht wiedergegebenen Verbraucher der Umrichteranordnung, Die zugehörige Primärwicklung ist mit den Phasen R,S,T des Drehstromnetzes der normalen Netzfrequenz verbunden.

Jeder dieser Umrichter ist frequenzelastiseh gesteuert, wobei die Frequenz der durch die Umrichter gebildeten Wechselspannungen klein gegen die Netzfrequenz der an S,S,T liegenden Netzwechselspannungen sein soll. Die einzelnen Ventilstromkreise der Umrichter sind je nach Erfordernis für den Gleichrichter-oder · ■ Wechselrichterbetrieb veränderbar teilausgesteuert. Die auf diese Weise zustande kommende Kurvenform der Wechselspannungen der Umrichter entspricht in bekannter Weise der .Einhüllenden der einzelnen Kurvenabschnitte der Netzwechselspannungen,· die sich aus der· Ablösung der Ventilstromkreise ergeben. Die Steuerung der Ventilstromkreise erfolgt in einer noch näher

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beschriebenen Weise durch eine Segeleinrichtung, der die zu erzielenden Wechselströme als Sollwert vorgegeben sind«, Die von dieser Hegeleinrichtung abgegebenen zeitlich veränderlichen Steuerimpulse stellen eine Wechselspannung der Umrichter her, die für den zu erzielenden Wechselstrom erforderlich ist«.

-^i e sechs Einzelstromrichter mit den Ventilgruppen 1-6, aus denen die drei Umrichter der drei Phasen U,V,W bestehen, sind nun zur Unterbindung von Kreisströmen erfindungsgemäß so gesteuert, daß in jedem Augenblick nur jeweils zwei Einzelstromrichter zur Stromführung freigegeben werden, während die übrigen jeweils vier Einzelstromrichter für eine Stromführung gesperrt sind. Es kann also die gesamte Umrichteranordnung in jedem Augen- I blick als eine sogenannte V-Schaltung aufgefasst werden, die indessen die Besonderheit aufweist, daß die das V bildenden Einzelstromrichter sich fortgesetzt ablösen.

Die Bildung der an den Verbraucher abgegebenen iiiederfrequenz-Wechselströme, die mit i^, iy, i^- bezeichnet sein sollen, ist aus Fig. 3 zu ersehen. Die Einzelstromrichter sind so veränderlich teilauagesteuert, daß die Augenblickswerte ihrer Ströme, die mit i-, ... ig bezeichnet sind, in Abhängigkeit von der Zeit t den in Fig. 3 oben wiedergegebenen annähernd dreieckförmigen Verlauf haben. Ihre jeweilige Stromflußdauer beträgt 120°, bezogen auf die Periodendauer der abgegebenen Niederfrequenz- j Wechselströme i^, iy, i™. Die" zugehörigen schraffierten Kurvenstücke der Ströme sind Teile der dünn ausgezogenen Sinuskurven. Bei passender Zusammensetzung dieser Ströme entstehen rein sinusförmige Wechselströme i„, i_, i„ im Verbraucherstromkreis. Diese Sinus-Kurvenform ergeben sich durch die Zusammensetzung der Ströme gemäß

¹U=¹I⁺^- Ci₂ ^{+ i}3⁾· ¹Y = *3 + *6 " ^4 ⁺ ¹S^* ±_w = I₅ + I₂ - (ig +I₁).

Die genannte Steuerung der Einzelstromrichter erfolgt durch eine Regeleinrichtung, der die gewünschten sinusförmigen Wechselströme

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i~, i™, i™. als Sollwerte vorgegeben werden., Diese beispielsweise als stromproportionale Spannungen dargestellten Sollwerte sind weiterhin mit lg^X ₉ i^^s, i^^x bezeichnen,.

Wie aus Pig. 3 ersichtlich ist, lassen sich aus je zwei Sollwertkurven die oben dargestellten durch Schraffur hervorgehobenen dreieckförmigen Kurven bilden, indem man je einen der Sollwerte, z.B. i-_T mit einem negativ genommenen Sollwert der zeitlich vorhergehenden oder folgenden Phase, z.B. - ij* oder i,_^x zusammenfasst und den Augenblickswert des jeweils kleinsten dieser Sollwerte/zur Steuerung der Einzelstromrichter heranzieht.

Zur Bildung des jeweils kleinsten Wertes dient eine Einrichtung, die in Fig. 4 schematisch dargestellt ist« Diese besteht aus sechs sogenannten Kleinstwertbildnern 13 an sich bekannter Arbeitsweise, die über Dioden 14 mit je zwei den Sollwerten der Ströme, beispielsweise i«. und - i^. entsprechenden Spannungen verbunden sind. Die Dioden lassen nur die positiven Halbwellen \ dieser Spannungen wirksam werden, und von diesen wird jeweils diejenige mit dem kleinsten Augenbrlickswert aussortiert und als Steuerspannung abgegeben^ Diese hat dann die in Pig. 3 oben dargestellte Dreieckform«,

Zu der Schaltung Pig. 1 ist noch zu sagen, daß jeweils zwei Einzelstromrichter, sofern diese beispielsweise als Gasentladungs-Stromrichter erstellt werden, ein gemeinsames '> Kathodenpotential haben. Infolgedessen kann man die ganze Umrichteranlage aus drei Mehranoden-Stromrichtergefäßen aufbauen«, Perner wird nur ein Transformator mit drei getrennten Skundärwicklungssystemen benötigt. Bei Verwendung von Einanoden-Stromrichtergefäßen oder von steuerbaren Halbleiterventilen ist natürlich die Speisung der antiparallelgeschalteten Ventile aus einer gemeinsamen Transformatοrwicklung möglich und hier vorgesehen.

Zur Bildung von drei niederfrequenten sinusförmigen Ausgangsströmen i-jj, iy_S i_w sind indessen nicht unbedingt sechs paarweise antiparallelgeschaltete gesteuerte Einzelstromrichter erforderlich. Es ist möglich, für die Bildung der gleichen Ströme auch mit drei

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Einzelstromrichtern auszukommen· Das Prinzipschaltbild einer derartigen Umrichteranlage ist in Fig. 2 wiedergegeben»

Auch bei dieser Schaltung werden in jedem Augenblick jeweils zwei Einzelstromrichter zur Stromführung freigegeben, während der jeweils dritte Einzelstromrichter für eine Stromführung gesperrt ist.

Die Bildung der drei sinusförmigen, an den Verbraucher abgegebenen Niederfrequenz-Wechselströme i~, i^, i„ ist in Pig· 5 zu ersehen. Die Einzelstromrichter sind so ausgesteuert, daß die Augenblickswerte ihrer Ströme, die mit i,, ig» i* bezeichnet sind, den in Fig. 5 oben wiedergegebenen Verlauf haben,, \ Ihre jeweilige Stromflußdauer beträgt 240°, bezogen auf die Periodendauer der abgegebenen Niederfrequenz-Wechselströme ig, ijt i_w. Die zugehörigen schraffierten Kurvenstüeke der Ströme sind Teile der dünn- ausgezogenen Sinuskurven. Durch passende Zusammensetzung dieser Ströme entstehen die rein sinusförmigen Wechselströme i^., iy, i„ im Verbraucherstromkreis. Diese Sinus-Kurvenform ergibt sich durch die Zusammensetzung der Ströme gemäß

Die Steuerung der Einzelstromrichter erfolgt wieder durch eine Regeleinrichtung, der die gewünschten sinusförmigen Wechselströme iy, Ly, i_w als Sollwerte Torgegeben sind. Diese beispiels weise wieder als stromproportionale Spannungen dargestellten Sollwerte sind i^, iy^X, ±^_o

Wie'aus Fig. 5 zu ersehen ist, lassen sich aus je zwei Sollwertkurven die oben dargestellten durch Schraffur hervorgehobenen Kurven bilden, indem man je einen der Sollwerte, z_oB. iJ* mit einem negativ genommenen Sollwert der zeitlich vorhergehenden Phase, Z₀Bo - i^¹ , zusammenfasst und den Augenblickswert

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des jeweils größten dieser Sollwerte zur Steuerung der Einzelstromrichter heranziehto

Die Auswertung dieser Sollwerte und Bildung der Steuerspannungen für die Einzelstromrichter erfolgt durch die in Mg. 6 dargestellte Diodenanordnung 14· %ese besteht aus drei Gruppen von je zwei Dioden, die auf der einen Seite mit zwei den Sollwerten der Ströme, beispielsweise IJ^ und - i^³¹, entsprechenden Spannungen,· auf der anderen Seite untereinander verbunden sindo Sie hat die Eigenschaft, nur positive Werte und von diesen den jeweils größten der je zwei Sonderte als Steuerspannung durchzugeben«, ^Auf diese Weise erhalten diese ^teuerspannungenjdie in J?ig_o 5 oben wiedergegebene, durch Schraffur hervorgehobene Kurvenform«,

Die in der beschriebenen V/eise gebildeten Steuerspannungen sind die SollwertSpannungen der Hegeleinrichtung, die nach vorherigem Abzug der Istwertspannungen diejenigen Steuerspannungen an den jeweils zugehörigen Einzelstromrichter abgibt, die zur zweckdienlichen Aussteuerung des EinzelStromrichters erforderlich ist_o

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Claims

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Patentansprüche

1_β Umrichter zur Frequenzumwandlung von Dreiphasen-Wechselströmen, insbesondere zur Erzeugung niederfrequenter dreiphasiger Wechselströme aus netzfrequenten dreiphasigen Wechselströmen, bestehend aus einer Anordnung mehrerer, mit Anwendung gesteuerter G-asentladungsstrecken oder steuerbaren Halbleiterventilen gebildeten Einzelstromrichtern, dadurch gekennzeichnet, daß drei Paare von antiparallel ä

geschalteten Einzelstromrichtern (1,2,7 bzw_o 3,4,8 bzw_o 5,6,9) zusammen mit ihren speisenden Transforiiiatorwicklungen in Dreieck geschaltet und derart gesteuert sind, daß in jedem Augenblick nur jeweils zwei Einzelstromrichter zur Stromführung freigegeben werden, während die übrigen jeweils vier Einzelstromrichter für eine Stromführung gesperrt sind, wobei die Entnahme der dem Verbraucher zugeführten dreiphasigen Wechselströme an den Eckpunkten der Dreieckschaltung erfolgt»

Umrichter zur Frequenzumwandlung von Dreiphasen-Wechselströmen, insbesondere zur Erzeugung niederfrequenter dreiphasiger Wechselströme aus netzfrequenten dreiphasigen " Wechselströmen, bestehend aus einer Anordnung mehrerer, mit Anwendung gesteuerter Gasentladungsstrecken oder steuerbaren Halbleiterventile gebildeten Einzelstromrichtern, dadurch gekennzeichnet, daß drei Einzelstromrichter (1,7 bzw„ 3,8 bzw» 5,9) zusammen mit ihren speisenden Transformatorwicklungen in Dreieck geschaltet und derart gesteuert sind, daß in jedem Augenblick nur jeweils zwei Einzelstromrichter zur Stromführung freigegeben werden, während der jeweils dritte Einzelstromrichter für eine Stromführung gesperrt ist, wobei die Entnahme der dem Verbraucher zugeführten dreiphasigen Wechselströme an den Eckpunkten der Dreieckschaltung erfolgt.

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3β Umrichter nach Anspruch Γ, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussteuerung der sechs Einzelstromrichter mittels^iner Regeleinrichtung erfolgt, deren Sollwerte der Gleichströme der Einzelstromrichter aus den die sinusförmigen Wechselströme im Verbraucherstromkreis darstellenden stromproportionalen Spannungen durch Differenzbildung je zweier Spannungen zeitlich verschiedener Phase und Erfassung des jeweiligen Kleinstwertes der positiven Halbwellen dieser Spannungen hergestellt sindo

Umrichter nach A_nspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der positiven Halbwellen der die Sollwerte der sinusförmigen Wechselströme darstellenden Spannungen über Dioden (14) und die ^eitere Auswertung der positiven Halbwellen dieser Spannungen in der V/eise erfolgt, daß je zwei Dioden, die auf der einen Seite mit jeweils einer Wechselspannung und mit der umgepolten Wechselspannuhg einer zeitlich verschiedenen Phase verbunden sind, auf der anderen Seite mit je einem sogenannten Kleinstwertbildner (13) an sich bekannter Wirkungsweise verbunden sind, dessen Ausgangsspannung als Steuerspannung des zugehörigen Einzelstromrichters diente

5ο Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussteuerung der drei Einzelstromrichter mittels einer Regeleinrichtung erfolgt, deren Sollwerte der Gleichströme der Einzelstromrichter aus den die sinusförmigen Wechselströme im Verbraucherstromkreis darstellenden stromproportionalen Spannungen durch Differenzbildung je zweier Spannungen zeitlich verschiedener Phase und Erfassung des jeweiligen Höchstwertes der positiven Halbwellen dieser Spannungen hergestellt sind»

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6. Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der positiven Halbwellen der die Sollwerte der sinusförmigen Wechselströme darstellenden Spannungen und die Auswertung des jeweiligen Höchstwertes der positiven Halbwelle mittels Dioden (14) in der ^weise erfolgt, daß je zwei Dioden, die auf der einen Seite mit je einer Wechselspannung und mit der umgepolten Wechselspannung einer zeitlich vorangehenden Phase auf der anderen Seite untereinander verbunden sind, wobei die Ausgangsspannung an der jeweiligen Verbindungsstelle der Dioden als Steuerspannung des zugehörigen Einzelstromrichters dient» '· (|

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