DE1438905C3 - Direkt Umnchterschaltung zur Steuerung der Drehzahl eines Wechsel Strommotors - Google Patents

Description

für die Impulsfrequenz sowie für die Impulsbreite ge- flicht gezeichnete Steuereinrichtung gezündet; sobald geben sein muß). er in den stromführenden Zustand kommt, schließt Die Vorteile der neuen Direkt-Umrichter-Schaltung er den Gleichstromkreis kurz. In diesem Fall ist ein sind (neben der direkten Frequenzumformung) eine Strom durch die Belastung 4 ermöglicht. Je nachdem, kleine Anzahl steuerbarer Ventile (Thyristorzahl) und 5 wann der Thyristor offen ist, kann ein Strom durch eine einfache Steuerung; beim Bremsbetrieb ergeben die Wicklung 4 in der einen oder der anderen Richsich keine Probleme, da die Schaltung ohne Umschal- tung und je nach dem Momentanwert in bestimmter tung in beiden Energierichtungen arbeiten kann. Da Höhe fließen. An Hand der Fig. 2a bis 2c soll nun Thyristoren erheblich teurer sind als Dioden, erhöht die Wirkungsweise der Einrichtung genauer beschriesich durch Herabsetzung der Thyristorzahl die Wirt- io ben werden. Die Steuereinrichtung des Thyristors 15 Schädlichkeit der Anordnung. Dies ergibt dann ins- liefert 'Zündimpulse von bestimmter Frequenz, die besondere die Möglichkeit, auch bei kleineren Mo- maßgebend ist für die an der Last 4 liegende Fretoren die Stromrichtersteuerung einzuführen, die quenz. In F i g. 2 a ist zunächst die Impulsfrequenz bisher wegen der Unwirtschaftlichkeit häufig nicht gleich der Netzfrequenz gewählt, also /_W=/_Si. Die mit einer solchen Anordnung versehen wurden. 15 Zündung erfolgt beispielsweise im Zeitpunkt t_y Die-Zu bemerken ist noch, daß aus der Zeitschrift ser Zeitpunkt liegt in diesem Falle in jeder Periode »Control Engineering« (August 1962), S. 79, 80, eine bei dem gleichen Momentanwert. Wäre kein Lösch-Anordnung zur Drehzahlsteuerung eines Motors vor- kreis vorhanden, so würde der Thyristor 15 bis zum bekannt ist, bei der die Wicklung des Motors einer- Nulldurchgang Strom führen. Der Löschkreis 16, 17 seits unmittelbar und andererseits über eine aus 20 sorgt nun dafür, daß bereits nach einer kürzeren Zeit ungesteuerten Ventilen bestehende Gleichrichter- die Löschung erfolgt. Es entsteht dann eine bestimmte brückenanordnung, in deren Gleichstromkreis ein Impulsbreite, die im wesentlichen von der Vormasteuerbares Ventil liegt, an das speisende Wechsel- , gnetisierung der Drosselspule 17 abhängt. Nach dem spannungsnetz angeschlossen ist. Hier wird jedoch Zünden des Thyristors 15 entlädt sich der Kondendurch Spannungsanschnittssteuerung lediglich die 25 sator 16, wodurch die Drosselspule 17 ummagneti-Spannung und damit die Drehzahl des Motors ver- siert wird. Infolge der schwachen Dämpfung des ändert. Eine Frequenzänderung ist bei dieser An- Löschkreises erfolgt die Entladung des Kondensaordnung aber nicht vorgesehen. tors in Form einer Schwingung, so daß nach Beendi-Ferner ist im Hinblick auf die Steuerung eines gung des Ummagnetisierungsyorganges der Konden-Dreiphasen-Wechselstrommotors noch die französi- 30 sator mit umgekehrter Polarität aufgeladen ist. Die sehe Patentschrift 1 275 449 zu erwähnen, und zwar jetzt. einsetzende Entladung des Kondensators in insbesondere die Fig. 3. Hierbei handelt es sich aber Sperrichtung des Thyristors spielt sich im Sättigungshur um eine kontaktlose Einrichtung zum Ein- bzw. gebiet der Drosselspule ab. Der Entladestrom steigt Ausschalten eines Drehstrommotors. praktisch widerstandslos an und löscht den Thyri-An Hand der Figuren werden Ausführungsbeispiele 35 stör. Die dadurch bestimmte Stromführungszeit des der Erfindung erläutert. Es zeigt Thyristors entspricht der Ummagnetisierungszeit der F i g. 1 Direkt-Umrichterschaltung zur Umformung Drosselspule 17. Durch Änderung des Vormagnetivon Einphasenwechselstrom konstanter Frequenz in sierungsstromes läßt sich diese Stromführungszeit be-Einphasenwechselstrom veränderlicher Frequenz und liebig verändern. Dies erlaubt die Ein- bzw. Aus-Spannung, 40 schaltung des Stromes durch die Wicklung 4 zu einem Fig. 2a, 2b, 2c Spannungs-Zeit-Diagramm der in beliebig wählbaren Zeitpunkt. Es sei noch erwähnt, F i g. 1 dargestellten Schaltung, daß der Löschkreis, wie er gemäß F i g. 1 verwendet Fig. 3 Direkt-Umrichterschaltung für die Umfor- wird, an sich aus der Zeitschrift »Elektrie«, 1963, mung von Drehstrom konstanter Frequenz in Dreh- Heft 2, Bild 18, S. 66, bekannt ist.
strom veränderlicher Frequenz zuf Speisung eines 45 Wird der Thyristor 15, wie in der F i g. 2 a darge-Kurzschlußankermotors, stellt, synchron mit der Netzfrequenz gezündet, so Fig. 4 eine Ausführungsform der Schaltung nach entstehen bei konstanter Vormagnetisierung der F i g. 3 für einen größeren Frequenzbereich und Sättigungsdrosselspule 17 Spannungsimpulse kon-Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Direkt-Um- stanter Höhe und Breite. Es wird also ein mit der richterschaltung für die Umformung von Einphasen- 5° Netzfrequenz pulsierender Gleichstrom erzeugt, wo-Wechselström konstanter Frequenz in Drehstrom bei die Höhe der Impulse von der Phasenlage der veränderlicher Frequenz. Steuerimpulse gegenüber der Amplitude der Netzin Fig. 1 ist die einphasige Umrichtung aus der spannung abhängt. Durch Änderung dieser Phasen-Netzspannung P, O dargestellt. Die Last 4, unter der lage kann man bei konstanter Frequenz die Gleichman sich die Wicklung eines Einphasen-Wechsel- 55 spannung an der Last von einem positiven Maximalstroinmotors Vorzustellen hat, ist mit dem einen Ende wert stetig über Null bis zu einem negativen Höchstunmittelbar an der einen Leitung des Wechselspan- wert variieren.

nungsnetzes konstanter Frequenz angeschlossen. Das Wird nun der Thyristor mit einer Steuerfrequenz f_si andere Ende der Last liegt über die ein steuerbares gezündet, die kleiner oder größer ist als die Netzfre-Ventil in Gestalt eines Thyristors 15 enthaltende 60 quenz j_N, so entsteht an der Wicklung 4 eine Wechsel-Gleichrichteranordnung 1 an der anderen Leitung spannung der Differenzfrequenz f_N—f_st. In Fig. 2b des Einphasennetzes. Die Gleichrichteranordnung 1 ist hierbei die Netzfrequenz f_N größer, in Fig. 2c besteht aus den Dioden 11 bis 14 in Einphasen- kleiner als die Steuerfrequenz. Der Zündpunkt des Brückenschaltung. Im Gleichstromkreis liegt der be- Tyhristors liegt bei jeder Periode an einer anderen sagte Thyristor 15 mit dem zugehörigen Löschkreis, 65 Stelle. Die Breite des Zündimpulses bleibt gleich, sobestehend aus dem Kondensator 16 und der vorma- lange die Vormagnetisierung nicht geändert wird. Wie gnetisierten Drosselspule 17 mit rechteckförmiger ersichtlich, entsteht jetzt eine Wechselspannung Magnetisierungskurve. Der Thyristor wird durch eine · kleinerer Frequenz, als die Netzfrequenz beträgt. Der

Unterschied zwischen der Steuerung in den F i g. 2 b und 2 C ist bei der einphasigen Schaltung zunächst unwesentlich, hat aber bei der Drehstromschaltung Bedeutung, weil damit die Drehrichtung geregelt werden kann.

Fig. 3. zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Direkt-Umrichterschaltung für Drehstrom. Diese Schaltung arbeitet im Prinzip wie die Schaltung nach der Fig. 1. 4, 5 und 6 stellen die Phasenwicklungen eines Kurzschlußankermotors dar, der durch die Umrichterschaltung 1 gespeist wird. Die Phasenwicklungen sind unmittelbar an das Drehstromnetz konstanter Frequenz angeschlossen und werden über die Dioden 11 bis 16 in der dreiphasigen Brückenschaltung durch einen einzigen Thyristor 17 periodisch miteinander verbunden oder voneinander getrennt, wobei der Thyristor 17, der sich im Gleichstromzweig der Brückenschaltung befindet, die Brückenschaltung nach Maßgabe der Steuerfrequenz periodisch kurzschließt bzw. unterbricht. Gelöscht wird der Thyristor wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch den Löschkreis 18 und 19. Wird der Thyristor 17 mit Netzfrequenz gezündet, so entsteht über jeder Motorwicklurig eine Gleichspannung. Wird der Thyristor dagegen mit einer Steuerfrequenz f_st gezündet, die größer oder kleiner als die Netzfrequenz j_N ist, so entsteht an jeder Motorwicklung eine Wechselspannung mit der Frequenz ff/—ist- Infolge der Sperrwirkung der Dioden 11 bis 16 sind für jede Frequenz die drei Motorphasen um 120° gegeneinander phasenverschoben. Wechselt die Differenzfrequenz das Vorzeichen, so ändert sich die Richtung des Drehfeldes und damit die TJrehrichtung des Motors. Die höchste damit zu erreichende Frequenz am Motor ist gleich der Frequenz des speisenden Netzes.

Um ein Weiterfließen des Motorblindstromes während der Löschzeit des Thyristors zu ermöglichen, ist noch ein Kondensator 71 vorgesehen und dem Thyristor 17 parallel geschaltet. Die Diode 72 verhindert eine Entladung dieses Kondensators über den Thy-

ristor 17. Der Widerstand 73 ist der Entladewiderstand für den Kondensator 71.

Bei der in der Fig. 4 dargestellten Ausführung ist die höchste erreichbare Frequenz nicht durch die Netzfrequenz begrenzt. Es sind zwei Drehstromschalteinheiten 1 und 2 vorgesehen, die in gleicher Weise arbeiten wie die Umrichterschaltung 1 der Fig. 3. Es sind also nun zwei Thyristoren 17 und 27 vorgesehen, welche im Gegentakt gezündet werden,

ίο so daß während einer Halbwelle der Netzspannung positive und negative Impulse auf die Motorwicklung gegeben werden können. In diesem Falle besitzt der Kurzschlußankermotor je Phase zwei Wicklungen 41 und 42, 51 und 52, 61 und 62. Diese sind um 180° phasenverschoben an die beiden dreiphasigen Gleichrichterbrücken angeschlossen. Die Einspeisung erfolgt an den Verbindungsstellen zwischen den beiden Wicklungen jeder Phase.

In F i g. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für die Umformung von Einphasenwechselstrom konstanter Frequenz in Drehstrom veränderlicher Frequenz dargestellt. Jede Phasenwicklung 4, 5, 6 eines Dreiphasen-Wechselstrommotors ist über eine einphasige Gleichrichter-Brückenschaltung 1, 2, 3 gemäß F i g. 1 mit gesteuertem Ventil (Thyristor) im Gleichstromkreis mit dem einen Leiter eines speisenden Einphasenwechselspannungsnetzes und der Sternpunkt der im Stern geschalteten Motorphasenwicklung unmittelbar mit dem anderen Leiter verbunden, und die Zündung der steuerbaren Ventile erfolgt so, daß die Phasenwicklungen zyklisch nacheinander mit dem Wechselspannungsnetz leitend verbunden sind.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Thyristoren beschränkt. Sie kann in gleicher Weise auch mit Quecksilberdampf-Stromrichterelementen verwirklicht werden. Es sind auch Ausführungen denkbar, bei denen das gesteuerte Stromrichterelement im Gleichstromkreis einer Diodenmittelpunktschaltung angeordnet ist, wobei diese ein- oder mehrphasig sein kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

ι . ' 2 '■ ■;■■■' Die-Erfindung bezieht sich auf eine Direkt-Um- Patentansprüche: richterschaltung zur Steuerung der Drehzahl eines Wechselstrommotors, dessen Wicklung einerseits unmittelbar und andererseits über eine steuerbare Ven-

1. Direkt-Umrichterschaltung zur Steuerung 5 tile enthaltende Gleichrichteranordnung an das der Drehzahl eines Wechselstrommotors, dessen Wechselspannungsnetz angeschlossen ist und bei der Wicklung einerseits μηπιίΜε^βΓ und andererseits ein steuerbares Ventil in den aufeinanderfolgenden über eine steuerbare Ventile enthaltende Gleich- Perioden der Wechselspannung innerhalb jeweils richteranordnung an das Wechselspannungsnetz einer Halbwelle durch Impulse gezündet und nach angeschlossen ist, und bei der ein steuerbares io kurzer Stromführungszeit wieder gelöscht ist.
Ventil in den aufeinanderfolgenden Perioden der Eine derartige Direkt-Umrichterschaltung ist durch

Wechselspannung innerhalb jeweils einer Halb- die deutsche Auslegeschrift 1 065 080 bekanntgeworwelle durch Impulse gezündet und nach kurzer den (s. insbesondere die Fig. 24 und 25 in Verbin-Stromführungszeit wieder gelöscht ist, dadurch dung mit der Beschreibung, Spalte 17, Zeilen 13 bis gekennzeichnet, daß die Gleichrichter- 15 30). Bei dieser Schaltung wird eine Ausschnittssteueanordnung aus mindestens einer aus ungesteu- rung vorgenommen, indem man aus den aufeinerten Ventilen (11 bis 14, F i g. 1; 11 bis 16, anderfolgenden Halbwellen Abschnitte verschiedener F i g. 3) aufgebauten Gleichrichter-Brückenschal- zeitlicher Breite auf die Wicklung schaltet. Man ertung (1) besteht, in deren Gleichstromkreis ein hält somit einen periodisch zerhackten Gleichstrom einziges, steuerbares Ventil (15, Fig. 1; 17, 20 mit zu- und abnehmender Dauer der einzelnen Ab-F i g. 3) liegt, das mit einer von der Frequenz der schnitte, so daß sich letztlich eine Sinushalbwelle speisenden Wechselspannung abweichenden ein- bildet. Wird die gleiche Steuerung auch in den negastellbaren, konstanten Impulsfrequenz gezündet tiven Halbwellen vorgenommen, so ergibt sich ins- und jeweils immer nach einer bestimmten Zeit- gesamt eine Wechselspannung mit anderer Frequenz spanne gelöscht ist. 25 als die Netzspannungsfrequenz.

2. Direkt-Umrichterschaltung nach Anspruch I, Allgemein gilt, daß die Steuerung der Drehzahl dadurch gekennzeichnet, daß jedem steuerbaren von Drehstrommotoren am zweckmäßigsten mit Ventil (15, 17, 27) die Reihenschaltung aus einem variabler Frequenz erfolgt, wenn ein annähernd last-Kondensator (16, 19) und einer vormagnetisierten unabhängiger Drehzahlbereich gewährleistet werden Drosselspule (17, 18) parallel liegt. 30 soll. Die statischen Frequenzumformer, die zu die-

3. Direkt-Umrichterschaltung nach Anspruch 1 sem Zweck Verwendung finden, sind entweder Schaloder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu tungen mit Gleichstromzwischenkreis oder Direktjedem steuerbaren Ventil (17, 27) eine Reihen- Umrichterschaltungen. Umrichter mit Gleichstromschaltung aus einem ungesteuerten Ventil (72) zwischenkreis arbeiten nach dem Prinzip der zwei- und einem Kondensator (71) liegt und letzterem 35 fachen Umformung und bedingen, besonders wenn noch ein Entladewiderstand (73) parallel geschal- sie im Bremsbetrieb mit Energierückspeisung ins tet ist. Netz arbeiten sollen, einen relativ hohen Aufwand an

4. Direkt-Umrichterschaltung nach einem der Thyristoren und eine komplizierte Steuerung. Die beAnsprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß kannten Direkt-Umrichterschaltungen, zu denen auch bei einem Mehrphasen-Wechselstrommotor jede 40 die obengenannte Schaltung gemäß der deutschen Phasenwicklung (4, 5, 6) über eine einphasige Auslegeschrift 1 065 080 gehört, haben trotz der nur Gleichrichter-Brückenschaltung (1, 2, 3) mit ge- ■ einmaligen Energieumsetzung ebenfalls einen hohen steuertem Ventil im Gleichstromkreis mit dem Aufwand an gesteuerten Ventilen, weil diese schlecht einen Leiter (0) eines speisenden Einphasen- ausgenutzt werden, andererseits ist der Frequenzwechselspannungsnetzes und der Sternpunkt der 45 regelbereich auf 0 bis 20 Hz begrenzt.

in Stern geschalteten Motorphäsenwicklungen un- Aufgabe der Erfindung ist es, die Direkt-Ummittelbar mit dem anderen Leiter (P) verbunden richterschaltung der eingangs genannten Art derart sind und die Zündung der steuerbaren Ventile so auszuschalten, daß der Aufwand an steuerbaren Venerfolgt, daß die Phasenwicklungen zyklisch nach- tuen und damit der Steuerungsaufwand insgesamt einander mit dem Wechselspannungsnetz leitend 50 gering ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß daverbunden sind (F i g. 5). durch gelöst, daß die Gleichrichteranordnung aus

5. Direkt-Umrichterschaltung nach einem der mindestens einer aus ungesteuerten Ventilen aufge-Ansprüchel bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bauten Gleichrichter-Brückenschaltung besteht, in bei einem Dreiphasen-Wechselstrommotor jede deren Gleichstromkreis ein einziges, steuerbares Ven-Phasenwicklung (4, 5, 6) mit einer Phase des spei- 55 til· liegt, das mit einer von der Frequenz der speisenden Dreiphasen-Wechselspannungsnetzes (R, senden Wechselspannung abweichenden, einstell- S, T) einerseits unmittelbar und andererseits über baren, konstanten Impulsfrequenz gezündet und eine dreiphasige Gleichrichter-Brückenschaltung jeweils nach einer bestimmten Zeitspanne gelöscht (1) mit steuerbarem Ventil (17) im Gleichstrom- ist. .

kreis verbunden ist (F i g. 3).. 60 Es liegt, somit auch bei der erfindungsgemäßen

6. Direkt-Umrichterschaltung nach Anspruch 1, Schaltung eine Ausschnittssteuerung vor. Während dadurch gekennzeichnet, daß je nach der Dreh- aber bei der bekannten Anordnung gemäß deutsche richtung des Motors die Zündimpulsfrequenz Auslegeschrift 1065 080 sowohl die Impulsfrequenz größer oder kleiner als die Netzfrequenz ist. zur Zündung der Ventile als auch die Breite der

65 Ausschnitte variiert, ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung sowohl die Zündimpulsfrequenz als auch

. die Breite der Ausschnitte im Betriebsyerlauf stets

konstant (wobei naturgemäß eine Einstejlmöglichkeit