DE1488089A1 - Umrichterschaltung,insbesondere fuer die Speisung von Wechselstrommotoren - Google Patents

Umrichterschaltung,insbesondere fuer die Speisung von Wechselstrommotoren

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DE1488089A1 DE1964A0045469 DEA0045469A DE1488089A1 DE 1488089 A1 DE1488089 A1 DE 1488089A1 DE 1964A0045469 DE1964A0045469 DE 1964A0045469 DE A0045469 A DEA0045469 A DE A0045469A DE 1488089 A1 DE1488089 A1 DE 1488089A1
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Description

Duplikat u 8 β ο 83
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
üarichterschaltung> insbesondere für die Speisung von Wechselstrommotoren
Die Erfindung betrifft eine Umrichterschaltung, insbesondere für die Speisung von Wechselstrommotoren mit QIeIchstromzwischenkreis, bei der der Strom eines speisenden Wechselstromes gleichgerichtet wird und die so entstandene Oleichspannung mit Hilfe von Steuereinrichtungen durch Wechselrichtergruppen in eine Wechselspannung veränderbarer Frequenz umgerichtet wird.
Es ist bekannt, bei Elektromotoren statt Kollektoren zur Erzeugung eines Drehfeldes Stromrichter zu verwenden, die mit ' Hilfe von Gittersteuerungen dem Motor jeweils die richtige Spannung und Frequenz zuführen. Bei Synchronmotoren hat man auch entsprechend die Erregerwicklung über Gleichrichter gespeist«. Man verwendet hierbei normale Umrichterechaltungen und kann die Drehzahl der Motoren mit Hilf· der erzeugten Frequenz, regeln. Diese Drehzahlregelung ist bei diesen Motoren verhältnieaaeeig beschränkt, da durch die Schaltung es nicht möglich ist, über
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die doppelte Frequenz des speisenden Netzes bei Umrichteranlagen zu kommen. Bei der Drehzahlregelung ergibt eich ferner wie auch bei den normalen Drehstrommotoren die Schwierigkeit, dass die volle Ausnutzung der Typenleistung der Maschine nur bei der vollen Drehzahl möglich ist. Die volle Ausnutzung hat zur Bedingung» dass im Luftspalt der Maschine die Flusedichte möglichst hoch sein muss» Diese Flussdichte müsste alsc bei abnehmender Frequenz w auch konstant bleiben, da bei abnehmender Frequenz die Zeitdauer anwächst, so kann die Flussdichte nur dadurch konstantgehalten werden, dass man die den Fluss erzeugende Spannung herabsetzt. Bs muss also mit dem speisenden Wechselstrom auch die Spannung abnehmen.
Ferner ist eine Anordnung bekannt beworden,. die mit Spannungsimpulsen arbeitet, deren Anzahl wohl mit kleiner Frequenz kleiner wird, deren Grosse aber möglich* erhalten bleibt. Bei dieeer
Anordnung braucht die Spannung an sich nicht herabgesetzt werden I
es bleibt also die Plussdichte in der Maschine etwa konstant mit abnehmender Frequenz. Sie hat aber den Nachteil, dass sie mit Mittelfrequenzen arbeiten muss. Für diese Schaltungen kommen deshalb nur Ventile in Frage, die für Mittelfrequenzen von weit über 1000 Hz geeignet sind. Aus diesem Grunde lassen eich diese Schaltungen nicht alt Mutatoren und Halbleiterthyratrone, die •ine geringe Durchzündungefestigkeit haben, verwenden. Ebenso let dl· Reihenschaltung von Halbleiter thyratrons für Mittelfrequenzeohaltungen nicht möglich. Die Anwendung von Mittelfrequenz er-
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fordert grosse Energiespeicher, die die Mittelfrequenzströme vom Wechselstromnetz fernhalten. Sie haben ferner den. Nachteil, dass keine schnellen Lastschwankungen iQöglich ein»!, ohne Ueberspannungen zu vermeiden. Bei der Anordnung solcher Energiespeicher auf der Wechselstromseite besteht ferner die G-efahr, dass Resonanzerscheinungen auftreten können.
Um nun die erwähnten Nachteile zu vermeiden, wird erflndungsgemäee vorgeschlagen, dass durch die Wechselrichtergruppen rechteckförmige Spannungeimpulse gebildet werden und Teile der Wechselrichtergruppen derart teils hintereinander teil parallelgeschaltet sind, dass je nach der Steuerung der einzelnen Stromrichterelemente aus der Summe, der Differenz der Spannungsimpulse oder jedes Impulses für sich die Wechselspannung zusammengesetzt ist.
Hierdurch wird eine Frequenzregelung ermöglicht, welche ebenfalle mit konstanten Impulsbreiten arbeitet ohne,dass aber eine Hittelfrequenz benutzt werden muss. Auch mit dieser Methode kann man beliebige Frequenzen bis auf null herunter einstellen.
In den Figuren sind Beispiele für den Erfindungsgedanken gezeigt und gleichzeitig Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise angegeben. Zunächst sei die Figur 2 beschrieben, in welcher das Prinzip der Erfindung zu erkennen ist. Es sind dort vier Diagramme dargestellt (a bis d), die höchste Frequenz ist bei a bezeigt, die niedrigste bei d. Es werden nun aus der durch die Gleichrichtung erzeugten Gleichspannung in den Gleichstromjßwischenkrels zwei Impulse gebildet, die die Bezeichnung U1 und
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Up besitzen. Diese Impulse können nun gegeneinander verschoben werden. Xn dem Diagramm der Figur 2a sind in Abhängigkeit von der Zeit t die Lage der Impulse so dargestellt, dass sie gleichzeitig auftreten, sich also addieren. Die entstehende Spannung Uy ist dann eine rechteckförmige Spannung, wobei die Amplituden immer die Summe der einzelnen Amplituden der Spannungen u, und u„ darstellen. k Die Periode einer Schwingung ist dann gerade die doppelte Breite der Impulse. Sie ist die höchste Frequenz, die bei diesen Verfahren möglich ist. Soll nun die Frequenz erniedrigt werden, so wird ein Impuls oder beide gegenseitig verschoben. Der Impuls u, setzt zuerst ein, dann etwa in der lütte des Impulses u, entsteht der Impuls Up. Auf diese Weise erhält man eine treppenförmige Kurve. Man erkennt aus der Figur deutlich, dass die Frequenz kleiner geworden • ist, sie entspricht etwa dreiviertel der höchsten möglichen Frequenz. Unter diesem Diagramm sind die Frequenzen u. und Up einzeln dargestellt, so dass man die Ueberlagerung besser übersehen kann. Soll nun die Frequenz noch weiter verringert werden, bo zieht man die beiden Impulse U1 und U2 wie die Figur 2c zeigt, noch weiter auseinander. Die beiden Impulse überlagern sich Jetzt nur noch ein kurzes Stück, man erkennt, dass die Frequenz sich weiter verringert hat. Bei noch grösserer Verringerung werden die Impulse ganz auseinander gezogen und es entstehen bei der positiven Halbwelle zwei Impulse gleicher Länge mit einem bestimmten Abstand und bei der negativen Halbwelle entsprechend. Dies kann man natürlich noch weiter auseinanderziehen bis schliesslich die
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Frequenz null erreicht wird. Dieses Verfahren braucht sich nicht auf zwei Impulse zu beschränken, es kann natürlich noch eine bessere Kurve erreicht werden, wenn man mehr Impulse beispielsweise 4,6 oder θ verwendet.
Vie nun diese Impulse erzeugt werden, se igen die beiden Beispiele der Pig. 1 und, der Fig, 3. In der Fig. 1 ist linke der Teil der Anordnung gezeigt, der aus einem mehrphasigen Wechselstrom, Gleich*- strom erzeugt. Der mehrphasige Wechselstrom wird an den Stellen ' RST dem Transformator 1 zugeführt. Der Transformator 1 besitzt vier verschiedene Sekundärwicklungen 1,1, 1,2, 1,3, 1,4; Diese speisen die Oleichrichter-BrUckenschaltungen mit den Oleichrichtern Z* «Te zwei Brücken bilden einen Gleichetromzwischenkreis an dem je die Spannung m und U2 entsteht. Aus dem Gleichstromzwischenkrei· werden nun die Wechselrichteranordnungen gespeist, welche durch die gesteuerten Ventile 3 bis 26 dargestellt sind* Auseerdem sind noch ungesteuerte Ventile 27 bis 38 vorhanden. Ale Belastung ist «in Motor dargeettlt, seine drei Wicklungen sind 39» 40 und 41. Je nach der Steuerung der gesteuerten Ventile nun können die beiden Spannungen Ux und U2 in beliebiger Weise iuaaaaengesetEt werden. Sie· «ei etwa* genauer beschrieben für den Fall der in der 'ie* 2b dargestellt let, Zunachit muse also die Spannung u^ wirksam werden, d»h. es aus* die Spannung u^ allein an der entsprechenden Wioklang 39» welche der Phase R entspricht, liefen. Su diesem Zwecke werden die Ventile 3 und 1$ und 10 geöffnet, der Strom kann durch dae Ventil flUaeea und dort über die Querverbinduag 42, dann UWr die Diode 34, 4a·
Ventil 15 Über du Wicklung 39 und über da· Ventil 10 mm »tor»*
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Gleichstromzwischenkreis zurück. Dieser Zustand bleibt zwischen den Zeiten t^ und t2 bestehen. Im Zeitpunkt t2 muss nun auch der andere Zwischenkreis U2 derart wirksam werden, dass nunmehr die Spannung u. und U2 an der Wicklung R liegt. Dies geschieht durch die weitere Oeffnung des. Ventiles 22, dann ist folgender Stromkreis geschlossen: von der oberen Leitung des Gleichstroatzwiechenkreises mit der Spannung u^ geht es wieder Über das ge-" steuerte Ventil 3, dann über das nunmehr geöffnete Tentil 22 «um untern Teil des Gleichstromzwiefchenkreieee U2t dann folgt · die Spannung U2 und von dort geht es über das Ventil 15 in die Wicklung R hinein und dort wieder zurück über das gesteuerte Gefäae 10. In diesem Falle liegt dann U1 und U2 an der Wicklung R. Vo* Zeitpunkt t% an in Pig« 2b hört dann die Speisung aus dem Oleichstroezwlschenkreis U1 auf und es bleibt allein die Spannung U2 übrig. Öle« geschieht dadurch, dass das Ventil 3 nunaehr gesperrt wird, dann bildet sich folgender Stromkreis, von der Spannung Ug über das Ventil 15, die Wicklung R, dann das Ventil 10, 27 und 22 zur anderen Seite des entsprechenden Qleichstromzwiechenkreises zurück.
mehnlieh liege» dl· Verhältnisse bei den Phasen S und T, welche nunaehr nicht «ehr genauer beschrieben werden sollen. Je nach de« Zeitpunkt, In welche* die verschiedenen Ventile geöffnet »•rien, -kaon sau. Alt Terschlebung der" Impulse vorgszuMUMn werden. Xa ttudieiMr *4io» werden «1· 01el*hrich*»r»«Dtlle ge*oh*lt«t, «a Al· MltiSfWRetMtatM XapO·· tJLto &«*h Ale aefs-tive HalWelle tu *wm$0Mu Aa»& fjMtt iMlae tfniwng an der Wicklung K listen
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soll» muss die Schaltung so erfolgen, dass ein Stromfluse möglich ist, da durch die Induktivitäten im Kreise auch der Strom während der spannungslosen Periode aufrechterhalten bleibt. In diesem Fall brauchen die Spannungen ui und U2 nicht an die Wicklung 39 der Phase R gegeben werden, ee muse aber-ein Strom flieseen können; dann geht der Strom von der Wicklung 39 Über 33 und 16, 9 und 28 zur Wicklung zurück. Auch "bei dieser Schaltung ist bei Verwendung von mehr als «wei Hilfstraneforoatoren je Phase «ine Zusamaensetsung von mehr als zwei impulsen möglich. Dadurch wird ale Anordnung noch «ehr der Sinusform angenähert. Je mehr Impulse man nun verwendet, umso besser kann «an 41e Frequenz wählen und auch um so grosser 1st der mögliche Frequenzbereich.
Man erhält bei dieser Art 4er Steuerung bis zu den kleinsten Frequenzen herunter ein etwa gleichbleibendes Anzugsmoment der Motoren. Ea kann nun aber auch wünschenswert sein* gerade beim Anfahren das Anzugsmoment zu erhöhen. In diesem Falle ist es zweckmässig, die Länge des Impulses zu vergrössern, dadurch ändert sich an sich die Frequenz nicht, wohl aber verstärkt sich das Anzugsmoment.
Bei niedrigen Frequenzen kommt nun noch hinzu, dass der ohm*sehe Spannungeabfall stärker wirksam wird als der induktive< Damit das Kippmoment des Motors bei niedrigen Frequenzen nicht absinken kann, ist es auch hierfür zweokmässig, die Impulsbreite etwa
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um den Anteil dee ohm»sehen Spannungeabfalles in ähnlicher Weise zu erhöhen.
In der Pig. 4 ist in Verbindung ait der Pig. 5 die Art der Steuerung dargestellt, wie die Impulse im Leistungsstromkreis erhalten werden können. Dies geschieht im wesentlichen mit an sich./ bekannten Mitteln. Durch einen Impulsgenerator wird aua einer Wechselspannung irgendeiner Periode etwa 12 Impulae in gleichen Abständen erzeugt, dies zeigt die Pig. 4a. Dieser Impulsgeber ist in Pig. 5 alt 54 bezeichnet. Die so erhaltene Impulsfolge wird nun mit Hilfe einer Verteileinrichtung auf die zu bildenden Drehstromphaeen aufgeteilt, je drei aufeinanderfolgende Impulse erzeugen dann für jede Phase die zugehörige Rechteckspannung. In Pig. 4b ist dies näher dargestellt, der erste Impuls aus Pig. 4a lässt die Rechteckkurve für die Phase R entstehen. Der dann um 120 Grad versetzte Impuls lässt die Rechteckkurve für die Phase S und der weiter um 120 Grad versetzte Impuls die Phase T entstehen. Die Zwischenimpulse erzeugen die zugehörigen negativen Teile. Dies geschieht am besten mit Multlvibratoren und zugehörigen Zähleinrichtungen, die die Impulse abzählen. Diese Rechteckspannungen besitzen die doppelte Frequenz wie die Ausgangefrequenz» Die Erzeugung dieser rechteokförmigen Kurven erfolgt in dem Schaltorgan 56. In dem Integrator 57 werden die Rechteck- " spannungen integriert und daraus DaeLecksspannungen gebildet ^ wie es Pig« 2c zeigt. In dem Ueberlagerungsglied 56 werden dieser Dreieckekurve noch zwei Gleichspannungen Überlagert.
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Die Spannung ufltl iat konstant, während die Steuerspaannng ust2 ▼•ränäerlich let. An den Stellen nun, wo die Dreieckespannung grosser oder kleiner ale die Sueae der beiden Steuerspannungen wird, vird ein Impuls in einem Multivibrator erzeugt. Xn Flg. 4d sind diese Impulse dargestellt. An der Stelle T^ wird der Dreieckeimpuls gröeaer ale die Summe der beiden Steuerspannungen. In diesem Falle entsteht für die Phase R der erste Impuls, er ist mit R^ bezeichnet. Die Dauer des Impulses vird * vom Multivibrator bestimmt» Sie kann, wie die gestrichelt· linie angibt, auch bei kleinen Frequenzen verlängert werden. Der »weite Impuls entsteht dann, wenn die Dreieckspannung wieder kleiner als die Summe der beiden Steuerspannungen wird also an der Stelle tfc» dort entsteht der Impuls Rg. Dieser beiden werden dann, entsprechend der Schaltung der Ventile wie sie in fig. I oder 3 gezeigt ist, Überlagert. In ähnlicher Veise werden auch die Steuerimpulse für die Übrigen Phasen erzeugt, dies ist nicht mehr angegeben. Wird nun die Steuerspannung U8^ etwas verkleinert, so rücken die beiden erzeugten Impulse Ri und R2 auseinander, da die.Zeitpunkte % und t^j ebenfalls auseinandergehen. Bei der Steuerspannung uB-fc2 null wird die niedrigste frequenz bei dieser Schaltung erreicht. In dem Schaltglied 59 erfolgt die Aufteilung der einzelnen Impulse auf die verschiedenen Phasen. Bei dieser Schaltung 1st eine gegenseitige Verschiebung der Impulse vorhanden. ViU Aan den einen Impuls feetlaesen und
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- den anderen nur verschieben, so ist statt der Dreiecksform eine Sägezahnkurve in bekannter Weise zu verwenden. Natürlich sind auch andere Steuereinrichtungen möglich. Die Steuereinrichtung selbst soll auch nicht zum Erfindungsgedanken gehören, da sie nur eine Zusammenschaltung bekannter Elemente darstellte Um auch kleinere Frequenzen noch zu erhalten, kann man dann auch die Steuerspannung usti noch verringern oder die Richtung der Integration ändern.
PUr kleine Frequenzen ist es ferner noch zweckmässig, eine Zusatzeinrichtung vorzusehen, welche in bekannter Weise arbeitet und zusätzlich zu diesem Verfahren noch eine der am Anfang angegebenen Anordnungen benutzt. Nach Fig. 6 kann man beispielsweise die erhaltenen Impulse noch mit einur sehr niedrigen Frequenz überlagern und hierbei immer dem-, wenn der Impuls grosser oder kleiner als die überaagerte Frequenz wird, einen Ausgangsbe fehl geben. Man sieht aus der unteren Rv e, dass dann die Frequenz noch weiter verkleinert werden kann.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass man mit einfachen Mitteln ohne ein· zusätzliche* Mittelfrequenz benützen zu müssen, eine Drehzahlregelung von Motoren ohne Kollektoren erreichen kann. Auch die Anzugsmomente dieser Motoren können dann in beliebiger Weise vergrössert und verkleinert werden, so dass sich eine sehr sichere und den Verhältnissen angepasste Betriebsweise der Motoren ergibt.
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Claims (8)

- U88089 is/64 Ts-ub Patentanspruch Umrichterschaltung, insbesondere für die Speisung von Wechselstrommotoren mit Gleichetromzwischenkreis, bei der der Strom eines speisenden Wechselstromes gleichgerichtet wird und die so entstandene Gleichspannung mit Hilfe von Steuereinrichtungen durch Vechselrichtergruppen in eine Wechselspannung veränderbarer Frequenz umgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch die λ Wechselrichtergruppen rechteckförmige Spannungsimpulse gebildet werden und Teile der Wechselrichtergruppen derart teils hintereinander teils parallelgeschaltet sind, dass je nach der Steuerung der einzelnen Stromrichterelemente aus der. Summe, der Differenz der Spannungsimpulse oder jedes Impu3.eea für sick die Wechselspannung zusammengesetzt ist. IL£_JL£_£_£.iLfL£..LJL2_£ 2*
1. ümriohterschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet!
dass mehrere Oleichstromzwischenkreiee vorgesehen sind und die Stromrichterelemente der Wechselrichtergruppen so geschaltet und gesteuert werden, dass rechteckförmige Spannung»impulse ent» stehen, deren Summe oder Differenz oder Jed· für eich an eine Motorenwicklung gegeben sind.
2. Umrichterschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichstro^awischenkreis vorgesehen 1st und mehrere Wechaelrichtergruppen parallelgeschaltet und so gesteuert sind,
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dass phasenverschoben rechteckförmige Spannungsimpulse entstehen und die Sekundärwicklungen der zugehörigen Transformatoren hintereinandergeschaltet sind.
3. Umrichterechaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen durch die Steuerung gegebenen Schaltungen der Wechselrichter während einer Periode so zusammengesetzt sind*
^ dass angenähert sinusförmige Spannungskurven entstehen.
4. Umrichterschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung so ausgeführt ist, dass die Durchlassbreite der Rechteckimpulee unabhängig von der Frequenz des gespeisten Netzes ist und in Abhängigkeit von dieser Frequenz der Beginn der Impulse gegeneinander zeitlich verschoben sind,so dass sich bei der höchsten erreichbaren Frequenz die Impulse decken.
5. Umrichterachaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich der Spannungeabfälle in der Belastung in Ab-
' hängigkeit von der Belastung die Impulsbreite veränderbar gemacht wird.
6. Umrichterschaltung nach Unteranspruch 5, dadurch"gekennzeichnet, dass die Impulsbreite nur bei kleinen Frequenzen verändert wird.
7. Umrichterschaltung nach Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Impuls einer Vechselrichtergruppe mit abnehmender Frequenz verbreitert, der Impuls einer andern Wecheelrichtergruppo verkürzt wird.
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8. Umrlchterschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei kleinen Frequenzen die Impulse zusätzlich durch Impulswandler bekannter Bauart aufgeteilt werden und dadurch eine weitere Steuermöglichkeit entsteht.
Aktiengesellschaft BROWN, BOVBRI & CIE.
BAD ORfGiNAL
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