DE1463343C

DE1463343C - Schaltungsanordnung zur Steuerung der Frequenz eines einen Synchronmotor speisenden Umrichters

Info

Publication number: DE1463343C
Application number: DE19631463343
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr.-Ing. 6000 Frankfurt; Ostermann Hermann Dr.-Ing. 6078 Neu-Isenburg Kümmel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1963-11-21
Filing date: 1963-11-21
Publication date: 1973-07-05

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Frequenz eines einen Synchronmotor speisenden Umrichters mit einem von einem steuerbaren Gleichstromzwischenkreis gespeisten Wechselrichter mit zünd- und löschbaren Thyristoren in den Zweigen der Brückenschaltung.

Derartige Schaltungsanordnungen sind bei Umrichtern mit selbstgeführten Wechselrichtern bekannt. In einer der bekannten Anordnungen (Electrical Engineering, März 1962, S. 183, Fig. 8) wird der gerade stromführende Thyristor des Wechselrichters nach Zündung des folgenden Thyristors durch Entladung des zugeordneten Löschkondensators gelöscht. Die Zwischenkreisgleichspannung wird in dieser Anordnung proportional zur Wechselrichterfrequenz eingestellt. Auf die Höhe dieser Spannung werden auch die Löschkondensatoren aufgeladen, was zur Folge hat, daß sich die Frequenz nur im Verhältnis 1 :3 bis I : 5 verändern läßt, weil die Thyristoren im niedrigen Frequenzbereich wegen der dann ebenfalls niedrigen Spannung der Löschkondensatoren nicht mehr gelöscht werden können. Der Anlauf eines Synchronmolors aus dem Stillstand heraus ließe sich somit nicht ermöglichen.

In einer anderen bekannten Anordnung (Siemens-Zeitschrift, 1963, S. 661, Bild 1) mit einem selbstgeführten Wechselrichter wird die Zwischenkreisgleichspannung zwar ebenfalls proportional zur Wechselrichterfrequenz eingestellt, jedoch kann dort durch eine besondere Kondensatorladeeinrichlung dafür gesorgt werden, daß auch bei einer Frequenz Null eine einwandfreie Löschung der Thyristoren erfolgt.

Bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen müssen die Thyristoren des Wechselrichters und die dazugehörigen Löscheinrichtungen für die volle Wechselrichter-Durchgangsleistung bemessen werden, obgleich dies für etwa 90% des Drehzahlstellbereichs überflüssig ist, weil .die Synchronmotor-Ankerspannung in diesem Bereich die Aufgabe der Löschung des jeweils abgelösten Thyristors allein zu erfüllen vermag.

Es sind auch Schaltungsanordnungen zur Steuerung der Frequenz einen einen Synchronmotor speisenden Umrichters mit einem von einem steuerbaren Gleichstromzwischenkreis gespeisten Wechselrichter bekannt, bei denen statt eines selbstgeführten ein maschinengeführter Wechselrichter verwendet wird (ETZ-A, 1958, S. 15; Archiv für Elektrotechnik, 1963, S. 167 ff). Der maschinengeführte Wechselrichter erhält die zur Kommutierung der Thyristoren des Wechselrichters benötigte Energie vom Synchronmotor. Die Zündimpulse für die Thyristoren des Wechselrichters sind mit der Ausgangsfrequenz synchronisiert. Die Ausgangswechselspannung hat somit immer die Frequenz, die der Motor auf Grund seiner Drehzahl benötigt. Die Drehzahl des Synchronmotors läßt sich einfach über die Gleichspannung im Zwischenkreis einstellen.

Diese Schaltungsanordnungen haben jedoch den Nachteil, daß bei stehendem Motor für den Wechselrichter keine Kommutierungsspannung zur Verfügung steht, so daß kein Anlauf erfolgen kann. Auch ist im untersten Drehzahlbereich die Ankerspannung so klein, daß keine sichere Kommutierung des Wechselrichterstromes von einem Zweig zum anderen gewährleistet ist. Für den Anlauf des Stromrichtermotors müssen deshalb besondere Maßnahmen getroffen werden. So ist es z.B. möglich, in die Verbindungsleitung zwischen Motor und Wechselrichter Wechselspannungen einzufügen, die die notwendige Kommutierungsspannung liefern (deutsche Patentschrift 657 530).

Aufgabe der Erfindung ist es, die Schaltungsanordnung der eingangs bezeichneten Art derart auszugestalten, daß sie auch bei Motoren großer Leistung,

bei denen Reihen- oder Parallelschaltung von Ventilen pro Zweig erforderlich ist, einen Drehzahlstellbereich aus den Stillstand heraus erlaubt und dabei mit einem möglichst geringen Aufwand im Wechselrichterteil auskommt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Zweig der Wechselrichterbrückenschaltung aus zwei Gruppen von Thyristoren besteht, von denen die erste Gruppe nur zündbar und die zweite Gruppe zünd- und löschbar ist und die beiden in Reihe oder parallelgeschalteten Gruppen derart sind, daß bei Unterschreitung einer eine einwandfreie Kommutierung des Wechselrichterstromes nicht mehr gewährleistenden Ankerspannung die zweite Gruppe zusätzlich auch mit Löschimpulsen für eine Zwangskommutierung beaufschlagt ist, wobei die erste Gruppe bei Reihenschaltung nur Zündimpulse und bei Parallelschaltung keine Zündimpulse erhält.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird also der größte Teil des Wechselrichters in der einfachen Technik des maschinengeführten Wechselrichters und nur der Anfahrteil als selbstgeführter Wechselrichter ausgeführt, was insbesondere bei größeren Leistungen eine erhebliche wirtschaftliche Bedeutung hat, da bei gleicher Leistung sich das Kostenverhältnis zwischen selbstgeführten und maschinengeführten Wechselrichtern mindestens wie 3 : 1 verhält. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden für die Kommutierung des Wechselrichterstromes während des Anfahrens weder besondere Hilfsspannungen noch die Mithilfe der Ankerspannung benötigt, weil die Thyristoren des Wechselrichters während dieser Zeit durch Löschimpulse zwangsweise gelöscht werden. Während der übrigen Zeit erfolgt die Kommutierung des Wechselrichterstromes dagegen ausschließlich unter der Wirkung der Ankerspannung.

Da im Bereich der Zwangskommutierung, d.h. während des Anfahrens, nur verhältnismäßig kleine Spannungen und meistens nur kleine Ströme vom Wechselrichter abgegeben zu werden brauchen, sind gemäß der Erfindung mit den zünd- und löschbaren Thyristoren nur zündbare Thyristoren in Reihe geschaltet, die während der Beaufschlagung der zünd- und löschbaren Thyristoren mit Löschimpulsen in dauernd leitendem Zustand gehalten werden. Werden die nur zündbaren Thyristoren den zünd- und löschbaren Thyristoren parallel geschaltet, dann sind sie während deren Beaufschlagung mit Löschimpulsen in dauernd gesperrtem Zustand zu halten.

Unter einem zünd- und löschbaren Thyristor soll hierbei entweder ein Thyristor verstanden werden, der durch die ihm zugeführten Steuerimpulse sowohl gezündet als auch gelöscht werden kann, oder ein Thyristor, der zwar durch den Steuerstrom gezündet, aber nur mittels einer ihm zugeordneten besonderen Löscheinrichtung, z.B. eines geladenen Kondensators, gelöscht werden kann.

Die Zünd- und Löschimpulse für die zünd- und löschbaren Thyristoren können während der Zwangskommutierung von Impulssteuergeräten geliefert werden, die von der Tastfrequenz eines von der Spannung im Gleichstromzwischenkreis oder von der Frequenz der von dem Wechselrichter abgegebenen Spannung gesteuerten Spannungsgebers gesteuert werden können.

Der Spannungsgeber kann gleichzeitig als Schwellwertglied ausgebildet werden. Ein weiteres Impulssteuergerät hält die nicht löschbaren Thyristoren während der Zwangskommutierung dauernd leitend, wenn diese mit den zünd- und löschbaren Thyristoren in Reihe geschaltet sind. Sind sie zu diesen parallel geschaltet, so werden sie durch ein weiteres Impulssteuergerät während der Zwangskommutierung dauernd gesperrt. Die Impulssteuergeräte, die die Zündimpulse für die Thyristoren liefern, werden in Abhängigkeit von der Frequenz der von dem Wechselrichter abgegebenen Spannung gesteuert, wenn die Frequenz einen bestimmten Wert überschreitet. Dabei wird das die Löschimpulse liefernde Impulssteuergerät gesperrt.

Der Gleichrichter des Gleichstromzwischenkreises wird von einem Impulssteuergerät gesteuert, das wieder von einem Sollwertgeber beeinflußt wird. Dieser Sollwertgeber bestimmt gleichzeitig im Gebiet der Zwangskommutierung die Tastfrequenz des die Impulssteuergeräte des Wechselrichters beaufschlagenden Spannungsgebers.

Die Erfindung wird an Hand der Ausführungsbeispiele enthaltenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit in Reihe geschalteten löschbaren und nicht löschbaren Thyristoren in den Brückenzweigen des Wechselrichters,

Fig.2 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit parallelgeschalteten löschbaren und nicht löschbaren Thyristoren in den Brückenzweigen des Wechselrichters.

Bei der Schaltung der F i g. 1 sind die Thyristoren 21 des Wechselrichters 2 in den einzelnen Brückenzweigen nur zündbar, die Thyristoren 22 zünd- und löschbar. Es genügt, einen Teil der Thyristoren löschbar auszuführen, da im unteren Drehzahlbereich, in dem die Zwangskommutierung benötigt wird, sowohl Gleich- wie auch Motorspannung nur klein sind. Während des zwangskommutierten Betriebes werden die nicht löschbaren Thyristoren 21 ständig leitend gehalten. Ist der Motor so weit hoch gelaufen, daß die Ankerspannung für die Kommutierung ausreicht, so erhalten die Löscheinrichtungen keine Impulse mehr; gleichzeitig werden die Thyristoren 21 freigegeben und beteiligen sich an der Steuerung.

Das Blockschaltbild für diese Steuerung ist ebenfalls in F i g. 1 angegeben. Der Drehzahlsollwert η wird mittels des Sollwertgebers 4 vorgegeben und bestimmt die Spannung im Zwischenkreis. Der Gleichrichter wird über den Verstärkers und das Impulssteuergerät 6 von Impulsen Z₁ gesteuert. Außerdem liegt am Ausgang von 4 der Eingang des Frequenzgliedes?, das für den Fall, daß die Frequenz/₂ der von dem Wechselrichter abgegebenen Spannung kleiner als ein Grenzwert /₀ ist, eine der Ausgangsspannung von 4 proportionale Tastfrequenz an die Impulssteuergeräte 9 (Zünden) und 8 (Löschen) liefert und gleichzeitig über Impulssteuergerät 10 die Thyristoren 21 mittels Zündimpulsen Z₂₁ offen hält. Übersteigt /₂ den Wert /₀, so erhalten die Steuergeräte 8 und 9 von dem Frequenzglied 7 keine Anregungen mehr, so daß die Löschungen unterbleiben und Impulssteuergerät 9 nunmehr von der Motorspannung gesteuert wird. Auch die Blockierung des Impulssteuergerätes 10 wird unterbrochen. Als Kriterium für die Umschaltung von zwangskommutierten auf den motorkommutierten Betrieb und umgekehrt läßt

sich auch die Spannung U_g im Gleichstromzwischenkreis nehmen. In F i g. 2 ist eine Schaltung dargestellt, bei der in den einzelnen Zweigen a... f des Wechselrichters 2 die Thyristoren parallel liegen. Erfolgt der Anlauf des Motors 3 im Leerlauf oder nur bei geringer Belastung, so braucht auch hier nur ein Teil der Thyristoren löschbar ausgeführt zu werden. Bei zwangskommutiertem Betrieb sind die nicht löschbaren Thyristoren gesperrt zu halten. Das läßt sich durch Unterdrücken der Zündimpulse erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung der Frequenz eines einen Synchronmotor speisenden Umrichters mit einem von einem steuerbaren Gleichstromzwischenkreis gespeisten Wechselrichter mit zünd- und löschbaren Thyristoren in den Zweigen der Brückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zweig (a bis f) der Wechselrichterbrückenschaltung (2) aus zwei Gruppen (21, 22) von Thyristoren besteht, von denen die erste Gruppe (21) nur zündbar und die zweite Gruppe (22) zünd- und löschbar ist, und die beiden in Reihe- oder parallelgeschalteten Gruppen derart gesteuert sind, daß bei Unterschreitung einer eine einwandfreie Kommutierung des Wechselrichterstromes nicht mehr gewährleistenden Ankerspannung die zweite Gruppe (22) zusätzlich auch mit Löschimpulsen für eine Zwangskommutierung beaufschlagt ist, wobei die erste Gruppe bei Reihenschaltung nur Zündimpulse und bei Parallelschaltung keine Zündimpulse erhält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zünd- und Löschimpulse für die zünd- und löschbaren Thyristoren (22) während der Zwangskommutierung von Impulssteuergeräten (9, 8) geliefert werden, die von der Tastfrequenz eines von der Spannung (U_x) im Gleichstromzwischenkreis oder von der Frequenz (/.,) der von dem Wechselrichter abgegebenen Spannung gesteuerten, als Schwellwertglied wirkenden Spannungsgebers (7) gesteuert werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Impulssteuergerät (10) die nicht löschbaren Thyristoren (21) dauernd leitend hält (bei Reihenschaltung) bzw. sperrt (bei Parallelschaltung der nicht löschbaren Thyristoren).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zündimpulse liefernden Impulssteuergeräte (9, 10) in Abhängigkeit von der Frequenz (/.,) der von dem Wechselrichter (2) abgegebenen Spannung nach Überschreitung eines bestimmten Frequenzwertes (Z₀) gesteuert werden, wobei das Löschimpulse liefernde Steuergerät (8) gleichzeitig sperrt.