DE1488089B2

DE1488089B2 - Verfahren zur steuerung eines umrichters mit gleichstrom zwischenkreis und anordnung zur durchfuehrung dieses ver fahrens

Info

Publication number: DE1488089B2
Application number: DE1964A0045469
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Wettingen Faust (Schweiz)
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1964-02-28
Filing date: 1964-03-13
Publication date: 1971-12-02
Also published as: DE1488089A1; NL6500258A; FR1427326A; AT259083B; CH414831A; BE660289A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur ter in Reihe zu schalten, welche sinusförmige Span-Steuerung eines Umrichters mit Gleichstromzwi- nungen gleicher Frequenz besitzen und deren Phasenschenkreis, insbesondere für die Speisung von Wech- lage mittels Gittersteuerung gegenseitig verschoben selstrommotoren, mit dem der Strom eines speisen- werden kann (deutsche Auslegeschrift 1124 595).
den Wechselstromes gleichgerichtet wird und die so 5 Es sind ferner Schaltungen für Wechselrichter mit entstandene Gleichspannung mit Hilfe von Steuer- mehreren Wechselrichtergruppen bekanntgeworden, einrichtungen durch Wechselrichtergruppen in eine bei denen rechteckförmige Spannungsimpulse gebil-Wechselspannung veränderbarer Frequenz umgerich- det werden und die Wechselrichter so zusammengetet wird, wobei durch die Wechselrichtergruppen schaltet sind, daß sich die Spannungsimpulse zu einer rechteckförmige Spannungsimpulse gebildet werden io treppenförmigen Wechselspannung zusammensetzen und Teile der Wechselrichtergruppen derart teils hin- (deutsche Patentschrift 669 397). Zur Änderung der tereinander, teils parallel geschaltet sind, daß je nach Amplitude der Wechselspannung werden hierbei die der Steuerung der einzelnen Stromrichterelemente zwischen den Impulsen liegenden Nullstücke geaus der Summe; der'Differenz der Spannungsimpulse ändert. Eine Frequenzänderung ist hierbei nicht vor- oder jedes Impulses ,für, sich die Wechselspannung 15 gesehen,
zusammengesetzt ist.' " . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein die

Es ist bekannt, bei: Elektromotoren statt Kollek- vorgenannten Nachteile vermeidendes Steuerverfahtoren zur Erzeugung^ eines Drehfeldes Stromrichter ren für Umrichter zu schaffen, mit dessen Hilfe nicht zu verwenden, die mit Hilfe von Gittersteuerungen nur eine Wechselspannung erzeugt wird, bei der die dem Motor jeweils die richtige Spannung und Fre- 20 Frequenz durch Veränderung der Impulsfrequenz quenz zuführen. Bei Synchronmotoren hat man auch steuerbar ist, sondern vielmehr auch durch die Überentsprechend die Erregerwicklung über Gleichrichter lagerung verschiedener Impulsreihen die Spannungsgespeist. Man verwendet hierbei normale Umrichter- zeitfläche und die Kurvenform innerhalb weiter Schaltungen und kann die Drehzahl der Motoren mit Grenzen frei bestimmbar ist.

Hilfe der erzeugten Frequenz regeln. Diese Dreh- 25 Dabei ist bei Frequenzänderungen die Flußdichte

zahlregelung ist bei diesen Motoren verhältnismäßig im Luftspalt des Motors möglichst konstant zu halten

beschränkt, da es durch die Schaltung nicht möglich oder sogar bei kleiner Frequenz zur Erhöhung des

ist, über die doppelte Frequenz des speisenden Net- Abzugsmomentes zu vergrößern. Zur Lösung dieser

zes bei Umrichteranlagen zu kommen. Bei der Dreh- Aufgabe wird bei einem Steuerverfahren der eingangs

zahlregelung ergibt sich ferner wie auch bei den nor- 30 genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß

malen Drehstrommotoren die Schwierigkeit, daß die die Durchlaßbreite der rechteckigen Impulse unab-

volle Ausnutzung der-Typenleistung der Maschine hängig von. der Frequenz, des gespeisten Netzes ist,

nur bei der vollen Drehzahl möglich ist. Die volle und in Abhängigkeit von dieser Frequenz der Beginn

Ausnutzung hat zur Bedingung, daß im Luftspalt der der Impulse gegeneinander zeitlich verschiebbar ist,

Maschine die Flußdichte möglichst hoch sein muß. 35 so daß sich bei der höchsten erreichbaren Frequenz

Diese Flußdichte müßte also bei abnehmender Fre- die Impulse decken.

quenz auch konstant bleiben. Da bei abnehmender Hierdurch wird eine Frequenzregelung ermöglicht,

Frequenz die Zeitdauer anwächst, so kann die Fluß- welche ebenfalls mit konstanten Impulsbreiten arbei-

dichte nur dadurch konstant gehalten werden, daß tet, ohne daß aber eine Mittelfrequenz benutzt wer-

man die den Fluß erzeugende Spannung herabsetzt. 40 den muß. Auch mit dieser Methode kann man belie-

Es muß also mit dem speisenden Wechselstrom auch bige Frequenzen bis auf Null herunter einstellen,

die Spannung abnehmen. In den Zeichnungen sind Beispiele für den Erfin-

Ferner ist eine Anordnung bekanntgeworden, die dungsgedanken gezeigt und gleichzeitig Diagramme mit Spannungsimpulsen arbeitet, deren Anzahl wohl zur Erläuterung der Wirkungsweise angegeben. Zumit kleiner Frequenz; kleiner wird, deren Größe aber 45 nächst sei die F i g. 2 beschrieben, in welcher das möglichst erhalten bleibt. Bei dieser Anordnung Prinzip der Erfindung zu erkennen ist. Es sind dort braucht die Spannung an sich nicht herabgesetzt vier Diagramme dargestellt (a bis d), die höchste Frewerden, es bleibt also die Flußdichte in der Maschine quenz ist bei α gezeigt, die niedrigste bei d. Es weretwa konstant mit abnehmender Frequenz. Sie hat den nun aus der durch die Gleichrichtung erzeugten aber den Nachteil/daß sie mit Mittelfrequenz arbei- 50 Gleichspannung in dem Gleichstromzwischenkreis ten muß. Für diese Schaltungen kommen deshalb nur zwei Impulse gebildet, die die Bezeichnung U₁ und M₂ Ventile in Frage, die für Mittelfrequenzen von weit besitzen. Diese Impulse können nun gegeneinander über 1000 Hz geeignet.sind. Aus diesem Grunde las- verschoben werden. In dem Diagramm der Fig. 2a sen sich diese Schaltungen nicht mit steuerbaren Ent- sind in Abhängigkeit von der Zeit t die Lage der ladungsstreckeri und Thyristoren, die eine geringe 55 Impulse so dargestellt, daß sie gleichzeitig auftreten, Durchzündungsfestigkeit haben, verwenden. Ebenso sich also addieren. Die entstehende Spannung U_w ist ist die Reihenschaltung von Thyristoren für Mittel- dann eine rechteckförmige Spannung, wobei die Amfrequenzschaltungen nicht möglich. Die Anwendung plituden immer die Summe der einzelnen Amplituden von Mittelfrequenz erfordert große Energiespeicher, der Impulsspannungen U₁ und w„ darstellen. Die die die Mittelfrequenzströme vom Wechselstromnetz 60 Periode einer Schwingung ist dann gerade die dopfernhalten. Sie haben ferner den Nachteil, daß keine pelte Breite der Impulse. Sie ist die höchste Freschnellen Lastschwankungen möglich sind, ohne quenz, die bei diesem Verfahren möglich ist. Soll Überspannungen zu vermeiden. Bei der Anordnung nun die Frequenz erniedrigt werden, so wird ein solcher Energiespeicher auf der Wechselstromseite Impuls oder beide gegenseitig verschoben. Der Imbesteht ferner die Gefahr, daß Resonanzerscheinun- 65 puls M₁ setzt zuerst ein, dann etwa in der Mitte des gen auftreten können. Impulses M₁ entsteht der Impuls M₂. Auf diese Weise

Für die Umrichtung von 50 Hz Wechselstrom auf erhält man eine treppenförmige Kurve. Man erkennt

L6²/a ist es noch bekanntgeworden, zwei Teilumrich- aus der Figur deutlich, daß die Frequenz kleiner ge-

worden ist, sie entspricht etwa dreiviertel der höchsten möglichen Frequenz. Unter diesem Diagramm sind die Impulsspannungen W₁ und M₂ einzeln dargestellt, so daß man die Überlagerung besser übersehen kann. Soll nun die Frequenz noch weiter verringert werden, so zieht man die beiden Impulse M₁ und M₂, wie die F i g. 2 c 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 auseinandergezogen, und es entstehen bei der positiven Halbwelle zwei Impulse gleicher Länge mit einem bestimmten Abstand und bei der negativen Halbwelle entsprechend. Diese kann man natürlich noch weiter auseinanderziehen bis schließlich die 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 8 verwendet.

Wie nun diese Impulse erzeugt werden, zeigen die beiden Beispiele der Fig. 1 und der Fig. 3. In der F i g. 1 ist links der Teil der Anordnung gezeigt, der aus einem., mehrphasigen Wechselstrom (r, s, t) Gleichstrom erzeugt. Der mehrphasige Wechselstrom wird an den Stellen r, s, t dem Transformator 1 zugeführt. Der Transformator 1 besitzt vier verschiedene Sekundärwicklungen 1,1, 1,2, 1,3, 1,4. Diese speisen die Gleichrichter-Brückenschaltungen mit den Gleichrichtern 2. Je· zwei Brücken bilden einen Gleichstromzwischenkreis an dem je die Spannung M₁ und M₂ entsteht. Aus dem Gleichstromzwischenkreis werden nun die Wechselrichteranordnungen gespeist, welche durch die gesteuerten Ventile 3 bis 26 dargestellt sind. Außerdem sind noch ungesteuerte Ventile 27 bis 38 vorhanden, deren jedes jeweils einem der zugehöngen gesteuerten Ventile 9 bis 20 antiparallel geschaltet ist. Als Belastung ist ein Motor dargestellt, seine drei Wicklungen sind 39, 40 und 41. Je nach der Steuerung der gesteuerten Ventile nun können die beiden Impulsspannungen M₁ und m, in beliebiger Weise zusammengesetzt werden. Dies sei etwas genauer beschrieben für den Fall, der in der F i g. 2 b dargestellt ist. Zunächst muß also die Impulsspannung M₁ wirksam werden, d. h., es muß die Impulsspannung M₁ allein an der entsprechenden Wicklung 39, welche der Phase R entspricht, liegen. Zu diesem Zweck werden die Ventile 3,15 und 10 geöffnet, der Strom kann durch das Ventil fließen und dort über die Querverbindung 42, dann über die Diode 34, das Ventil 15 über die Wicklung 39 und über das Ventil 10 zum oberen Gleichstromzwischenkreis zurück. Dieser Zustand bleibt zwischen den Zeiten t_t und t₂ bestehen. Im Zeitpunkt i, muß nun auch der andere Zwischenkreis mit der Impulsspannung M₂ derart wirksam werden, daß nunmehr die Summenspannung der Impulse M₁ und M₂ an der Wicklung 39 der Phase R liegt. Dies geschieht durch die weitere öffnung des Ventils 22. Dann ist folgender Stromkreis geschlossen: Von der oberen Leitung des Gleichstromzwischenkreises mit der Impulsspannung U₁ geht es wieder über das gesteuerte Ventil 3, dann über das nunmehr geöffnete Ventil 22 zum unteren Teil des Gleichstromzwischenkreises für die Impulsspannung M₂, dann folgt die Impulsspannung M₂, und von dort geht es über das Ventil 15 in die Wicklung 39 der Phase R hinein und dort wieder zurück über das gesteuerte Ventil 10. In diesem Falle liegt dann die Summe der Impulsspannungen M₁ und M₂ an der Wicklung 39 der Phase R. Vom Zeitpunkt i₃ an in F i g. 2 b hört dann die Speisung aus dem Gleichstromzwischenkreis für die Impulsspannung M₁ auf, und es bleibt allein die Impulsspannung M₂ übrig. Dies geschieht dadurch, daß das Ventil 3 nunmehr gesperrt wird. Dann bildet sich folgender Stromkreis: von der Impulsspannung M₂ über das Ventil 15, die Wicklung 39, dann das Ventil 10, 27 und 22 zur anderen Seite des entsprechenden Gleichstromzwischenkreises zurück.

Ähnlich liegen die Verhältnisse bei den Phasen S und Γ, welche nunmehr nicht mehr genauer beschrieben werden sollen. Je nach dem Zeitpunkt, in welchem die verschiedenen Ventile geöffnet werden, kann nun die Verschiebung der Impulse vorgenommen werden. In ähnlicher Weise werden die Gleichrichterventile geschaltet, um die entgegengesetzten Impulse, also auch die negative Halbwelle zu erzeugen. Auch wenn keine Spannung an der Wicklung 39 liegen soll, muß die Schaltung so erfolgen, daß ein Stromfluß möglich ist, da durch die Induktivitäten im Kreise auch der Strom während der spannungslosen Periode aufrechterhalten bleibt. In diesem Fall brauchen die Impulsspannungen M₁ und M₂ nicht an die Wicklung 39 der Phase R gegeben werden, es muß aber ein Strom fließen können; dann geht der Strom von der Wicklung 39 über die Ventile 33, 16, 9 und 28 zur Wicklung zurück.

In der F i g. 3 ist eine Schaltung gezeigt, bei der nur eine einzige Gleichstromquelle 43 mit der Spannung U vorgesehen ist. Diese speist dann mehrere Wechselrichter (für die Phase R 44 bis 51), welche parallel geschaltet sind. Die so entstehenden rechteckförmigen Wechselspannungen werden an die beiden Transformatoren 52 und 53 bei der Phase R gegeben, deren Sekundärwicklungen in Reihe liegen. Daher addieren sich die rechteckförmigen Ausgangsspannungen. Das Gleiche gilt für die Phasen S und T des Motors.

Auch bei dieser Schaltung ist bei Verwendung von mehr als zwei Hilfstransformatoren je Phase eine Zusammensetzung von mehr als zwei Impulsen möglich. Dadurch wird die Anordnung noch mehr der Sinusform angenähert. Je mehr Impulse man nun verwendet, um so besser kann man die Frequenz wählen, und auch um so größer ist der mögliche Frequenzbereich.

Man erhält bei dieser Art der Steuerung bis zu den kleinsten Frequenzen herunter ein etwa gleichbleibendes Anzugsmoment der Motoren. Es 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 ohmsche Spannungsabfall stärker wirksam wird als der induktive. Damit das Kippmoment des Motors bei niedrigen Frequenzen nicht absinken kann, ist es auch hierfür zweckmäßig, die Impulsbreite etwa um den Anteil des ohmschen Spannungsabfalles in ähnlicher Weise zu erhöhen.

In der F i g. 4 ist in Verbindung mit der F i g. 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 werden aus

einer Wechselspannung irgendeiner Periode etwa zwölf Impulse in gleichen Abständen erzeugt; dies zeigt die F i g. 4 a. Dieser Impulsgeber ist in F i g. 5 mit 54 bezeichnet. Die so erhaltene Impulsfolge wird nun mit Hilfe einer Verteilereinrichtung 55 auf die zu bildenden Drehstromphasen aufgeteilt, je drei aufeinanderfolgende Impulse erzeugen dann für jede Phase die zugehörige Rechteckspannung. In Fig. 4b ist dies näher dargestellt, der erste Impuls aus F i g. 4 a läßt die Rechteckkurve für die Phase R entstehen. Der dann um 120° versetzte Impuls läßt die Rechteckkurve für die Phase S und der weiter um 120° versetzte Impuls die Phase T entstehen. Die Zwischenimpulse erzeugen die zugehörigen negativen Teile. Dies geschieht am besten mit Multivibratoren und zugehörigen Zähleinrichtungen, die die Impulse abzählen. Diese Rechteckspannungen besitzen die doppelte Frequenz der Ausgangsfrequenz. Die Erzeugung dieser rechteckförmigen Kurven erfolgt in dem Schaltorgan 56. In dem Integrator 57 werden die Rechteckspannungen integriert und daraus Dreieckspannungen gebildet, wie es F i g. 4 c zeigt. In dem Uberlagerungsglied 58 werden dieser Dreieckskurve noch zwei Gleichspannungen überlagert.

Die Spannung u_stl ist konstant, während die Steuerspannung u_st2 veränderlich ist. An den Stellen nun, wo die Dreiecksspannung größer oder kleiner als die Summe der beiden Steuerspannungen wird, wird ein Impuls in einem Multivibrator erzeugt. In Fi g. 4d sind diese Impulse dargestellt. An der Stelle t_a wird der Dreiecksimpuls größer als die Summe der beiden Steuerspannungen. In diesem Falle entsteht für die Phase R der erste Impuls, er ist mit R₁ bezeichnet. Die Dauer des Impulses wird vom Multivibrator bestimmt. Sie kann, wie die gestrichelte Linie angibt, auch bei kleinen Frequenzen verlängert werden. Der zweite Impuls entsteht dann, wenn die Dreiecksspannung wieder kleiner als die Summe der beiden Steuerspannungen wird, also an der Stelle t_b; dort entsteht der Impuls R₂. Diese beiden werden dann, entsprechend der Schaltung der Ventile wie sie in F i g. 1 oder 3 gezeigt ist, überlagert. In ähnlicher Weise werden auch die Steuerimpulse für die übrigen Phasen erzeugt; dies ist nicht mehr angegeben. Wird nun die Steuerspannung «_s/2 etwas verkleinert, so rücken die beiden erzeugten Impulse R₁ und R₂ auseinander, da die Zeitpunkte t_a und t_b ebenfalls auseinandergehen. Bei der Steuerspannung u_st2 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 ist eine gegenseitige Verschiebung der Impulse vorhanden. Will man den einen Impuls fest lassen und 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 darstellt. Um auch kleinere Frequenzen noch zu erhalten, kann man die Steuerspannung u_st j verringern oder die Richtung der Integration ändern.

Für 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 F i g. 6 kann man beispielsweise die erhaltenen Impulse noch mit einer sehr niedrigeren Frequenz überlagern und hierbei immer dann, wenn der Impuls größer oder kleiner als die überlagerte Frequenz wird, einen Ausgangsbefehl geben. Man sieht aus der unteren Kurve, daß dann die Frequenz noch weiter verkleinert werden kann.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist, daß man mit einfachen Mitteln ohne eine zusätzliche Mittelfrequenz benutzen 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.

Der generelle Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den bekannten Schaltungen besteht darin, daß für die Zusammensetzung der Rechteckwellen hochbelastbare, relativ langsam schaltende Starkstrom-Thyristoren verwendbar sind, die also mit niedrigen Frequenzen, insbesondere mit Netzfrequenz, arbeiten, wobei durch die steuerungsgemäße relative gegenseitige Verschiebung der rechteckförmigen Impulse mit gleicher Amplitude ein weiter Frequenzbereich der Wechselspannung in vorbeschriebener Weise beherrschbar ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung eines Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis, insbesondere für die Speisung von Wechselstrommotoren, mit dem der Strom eines speisenden Wechselstromes gleichgerichtet wird und die so entstandene Gleichspanung mit Hilfe von Steuereinrichtungen durch Wechselrichtergruppen in eine Wechselspannung veränderbarer Frequenz umgerichtet wird, wobei durch die Wechselrichtergruppen rechteckförmige Spannungsimpulse gebildet werden und Teile der Wechselrichtergruppen derart teils hintereinander, teils parallel geschaltet 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßbreite der Rechteckimpulse (u_v «.,) unabhängig von der Frequenz des gespeisten Netzes ist und in Abhängigkeit von dieser Frequenz der Beginn der Impulse gegeneinander zeitlich verschiebbar ist, so daß sich bei der höchsten erreichbaren Frequenz die Impulse («„ «.,) decken (Fig. 2).

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Umrichter mit mehreren Gleichstromzwischenkreisen, bei dem die Stromrichterelemente der Wechselrichtergruppen so geschaltet und steuerbar sind, daß rechteckförmige Spannungsimpulse entstehen, deren Summe oder Differenz oder jede für sich an eine Motorwicklung geführt sind (Fig. 1, 2 und 3).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der Spannungsabfälle in der Belastung in Abhängigkeit von der Belastung die Impulsbreite veränderbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite nur bei kleinen Frequenzen in Abhängigkeit von der Belastung verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Belastung der Impuls einer Wechselrichtergruppe bei kleinen Frequenzen verbreitert, der Impuls einer anderen Wechselrichtergruppe verkürzt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen