DE1488096A1 - Wechselrichterschaltung fuer Stromrichtermotoren - Google Patents

Wechselrichterschaltung fuer Stromrichtermotoren

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DE1488096A1 DE1964A0045996 DEA0045996A DE1488096A1 DE 1488096 A1 DE1488096 A1 DE 1488096A1 DE 1964A0045996 DE1964A0045996 DE 1964A0045996 DE A0045996 A DEA0045996 A DE A0045996A DE 1488096 A1 DE1488096 A1 DE 1488096A1
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Description

5V64 ~κ Tz/iw D
U88096
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Wechselrichterschaltung für Stromrichtermotoren
Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung von Stromrichtermotoren, bei der aus Gleichspannungsanteilen verschiedener Polarität stark oberwellenhaltige sinusförmige Spannungen der gewünschten Motorfrequenz erzeugt werden. Der Zweck der Erfindung ist, den Oberwellenanteil in der Motorspannung oder die durch Rückwirkung entstehenden Oberwellen im Strom des Gleichstromnetzes oder beides herabzusetzen.
Stromrichtermotoren werden in beiden Drehrichtungen von der Frequenz 0 bis zur Nennfrequenz des Motors betrieben. Meist handelt es sich um Asynchronmotoren, deren Drehzahl durch die Frequenz der angelegten Spannung gesteuert wird. Es genügt hierbei nun nicht allein die Frequenz zu ändern, sondern man muss auch berücksichtigen, dass der Fluss im Luftspalt der Maschine sich mit der Frequenz ändert. Da bekanntlich mit sinkender Frequenz der Fluss grosser wird, ist es erforderlich, mit sinkender Frequenz auch die Spannung zu verkleinern, derart, dass das Produkt aus Spannung und Periodendauer konstant bleibt (gleiche Spannungszeitfläche).
Die zur Speisung des Motors erforderliehe Wechselspannung wird durch eine Wechselrichterschaltung aus einem Gleieh-
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Spannungsnetz erzeugt. Hierbei kann die Gleichspannung auch . selbst über eine Gleichrichterschaltung aus einem Wechselstrom-^ netz fester Frequenz erhalten werden. In diesem Falle ist das Gleichstromnetz dann der Gleichstromzwischenkreis einer Umriefa* terschaltung. Um dies zu erreichen, kann man beispielsweise et» Verfahren anwenden, bei dem die Steuerung durch Ueberlagerung : einer dreieckförmigen Spannung mit einer Frequenz, die höher als die höchste Motorfrequenz ist, und einer der gewünschten Motorfrequenz entsprechenden sinusförmigen Spannung erfolgt. Aus diesen beiden Komponenten wird eine annähernd sinusförmige Spannung an den Motor gelegt, welche zugleich mit der gewünschten Frequenz eine gleichbleibende Spannungszeitfläche besitzt.
Dieses Verfahren sei anhand der Fig. 1 näher beschrieben: Aus dem Gleichstromnetz 4, welches bei£-pielsweise der Gleichstromzwischenkreis eines Umrichters sein kann, wird über die Wechselrichteranordnung 5 der Motor 6 gespeist. Das Gleichstromnetz besitzt den Pluspol P, den Minuspol N und den Nulleiter 0. Vom Motor 6 sind alle drei Phasen gezeichnet; dagegen ist von der Wechselrichteranordnung nur eine einzige Phase genauer dargestellt. Die übrigen Phasen sind entsprechend an die Gleichspannungsquelle 4 anzuschliessen. Auch besondere Massnahmen für die Kommutierung sind nicht dargestellt. Die Wechselrichteranordnung besteht aus einer Antiparallelschaltung von gesteuerten und ungesteuerten Stromrichterventilen. Bei den bekannten Anordnungen ist eine einzige solche Wechselrichteranordnung, welche Wechselrichtergruppe 5 genannt werden soll, vorhanden. Die Steuerung erfolgt nun über ein Mischglied 3* das die beiden aus
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den Geräten 1 und 2 erzeugten Spannungen vergleicht. Im Gerät wird die beispielsweise gleichschenklig dreieckförraige Spannung u. erzeugt« im Gerät 2 die sinusförmige Spannung u~, welche die verlangte Motorfrequenz besitzt, u. besitzt eine Frequenz« welche höher als die höchste Motorfrequenz ist. Wenn nun ug kleiner als u. 1st« entsteht im Mischglied eine positive» im umgekehrten Falle eine negative Spannung, wodurch mittelbar die gesteuerten Stromrichterventile jeder Phase gesteuert werden.. Auf diese Weise erhält der Motor eine Spannung UpV10 gegenüber dem Mittelleiter 0 des Glelchstromnetzes. Diese Spannung 1st aus rechteekförmlgen Teilen zusammengesetzt« welche infolge der verschiedenen Breiten eine sinusförmige Grundwelle enthält. Diese Spannung besitzt starke Oberwellen. Man kann nun aus dieser Spannung noch die Spannung ϋρΐιΜ zwischen einer Phase und dem Mittelpunkt M des Motors ableiten. Diese ist ebenfalls in Fig. 1 dargestellt. Ist der Punkt M nicht geerdet« so ergibt sich die dargestellte Spannung; ist er aber geerdet« so wäre 1^PnM * üPhO# Die Spannung des Punktes M gegen Erde O ist ebenfalls dargestellt und mit Ug0 bezeichnet. Man erkennt« dase diese Spannung die Grundwelle nicht mehr enthält« da diese sich ja bekanntlich im Drehstromsystem aufhebt« wohl aber alle Oberwellen« welche in den Motorwicklungen jeder Phase in gleicher Richtung und Phase vorhanden sind.
Diese Oberwellen wirken sich für die Wirkungswelse des Motors, insbesondere den Wirkungsgrad ungünstig aus. Ausserdem entstehen auch im Strom auf der Gleichspannungsseite der Stromrichter solche Oberwellen«, welche wieder rückwärts auf die
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Wechselspannung zurückwirken, aus der die Gleichspannung gewonnen worden ist. Diese Oberwellen bedeuten eine Beunruhigung 'des speisenden Drehstrornnetzes.
£8 stellt sich nun die Aufgabe, diese Oberwellenanteile möglichst weitgehend zu verringern um die erwähnten Nachteile zu vermeiden.
Dies geschieht eri'lndungsgemttss dadurch* dass Je Phase mehrere Wechselrichtergruppen in beliebiger Schaltung verwendet werden, die zu verschiedenen Zeiten gesteuert werden« derart, dass die Oberwellen sich im wesentl-lohen gegenseitig aufheben.
Xn den Figuren 1 bis 7 sind Beispiele von Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes mit zugehörigen Diagrammen zur Erläuterung der Wirkungsweise dargestellt.
Der Grundgedanke 1st in der Flg. 2 dargestellt. Ale Beispiel sind zwei Wechselrichtergruppen 3 parallel angeordnet. Die Wechselrichtergruppen sind vereinfacht durch ein Kasten« symbol dargestellt. Jeder Kasten besitzt die Schaltung« vie sie durch die Position 5 in der Fig. 1 genauer gezeigt 1st» Für jede Phase sind nun zwei Wechselrichtergruppen 5 parallel geschaltet. Sie werden beide aus dem Gleichstromnetz 4 gespeist. Gesteuert werden sie beide wieder durch die Mischglieder >. Wechselstromseitig sind beide Wechselrichtergruppen t> über eine Drosselspule 7 zusammengeechaltet, die ähnlich wie eine Saugdrosselspule in Gleichrichteranordnung^wirkt. Die Mitte dieser Drosselspule 1st mit der einen Phase des Motors 6 verbunden. Jede Wechselrichtergruppe besitzt nun je ein Misch-
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3,1 und 3*2, welche wie in der Pig. 1 das Mischelied durch die Güräte 1 und 2 gespeist werden. In Gerät P. wird die sinusförmige Spannung ug erzeugt, die wie In der Pig. I der gewünschten Motorfrequenz entspricht. Diese Spannung ist in beiden Geräten gleich und besitzt auch die gleiche Phase. Dagegen ist die Phase der dreieckförmlgen Spannung U1 bei beiden verschieden. Die Frequenz und die Höhe sind dagegen gleich. Im Beispiel ist eine Phasenverschiebung von 18O° gewählt. Schon hierdurch kann man die Oberwelligkeit wesentlich herabsetzen. Dies ist in Pig. 3 dargestellt. In den beiden oberen Diagrammen (Piß. 3* und 3b) sind die in jeder einzelnen Wechselrichtergruppe entstehenden Spannungen dargestellt. Sie haben die gleiche Form wie in der Pig. 1 nur sind sie um l8O° verschoben. Sie sind mit UpnQ (O) und Upn0 (l80) bezeichnet. Durch die Überlagerung beider entsteht im Motor die Spannung Upn0 zwischen der betreffenden Phase und dem Mittelleiter 0 der Gleichstromquelle. Sie ist in der Pig. 3c dargestellt. Man erkennt, dass dadurch, dass die positiven Teile und die negativen Teile abwechseln, die Oberwelligkeit bereits stark zurückgegangen ist.
Dementsprechend wird auch der Oberwellenanteil in den Spannungen UphM und U herabgesetzt. Dies ist in den Diagrammen nicht gezeigt.
Man kann nun noch weiter gehen und vier verschiedene gesteuerte Weohselrichtergruppen je Phase zusammenschalten. Dies ist in PIg. 4 dargestellt. Die Phasenverschiebung der dreleckförmigen Spannung u, beträgt dann Jeweils 90°. Diese
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werden In den Mischgliedern 3,1 bis 3,4 mit der sinusförmigen Spannung uo gemischt. Daraus entstehen nun die Spannungen gegen Erde üph0 (O), üpn0(90), üphQ(l8o) und Uph0(270). Auf der Motorseite werden diese Spannungen über die Drosselspulen 7,1 und 7*2 paarweise und diese wiederum über die Drosselspule 7,3 zusammengeschaltet. Die sich daraus ergebenden Spannungen Uph0 für diese Fälle sind in der Fig. 3d dargestellt und mit£. Uph0 »
Uph0(0) + bezeichnet. Darunter sind in der Fig. 3e für
diese Fälle noch die Phasenspannungen am Motor, also zwischen Phase und dem Sternpunkt M des Motors dargestellt.
Während in der Fig. 3c die Grundwellen der dreieckförmigen Spannung aus der Spannung Uph0 verschwunden sind und den wesentlichen Anteil der Welligkeit die zweite Oberwelle bildet, ist in der Fig. 3d auch die zweite Oberwelle kompensiert und nur noch die vierte Oberwelle vorhanden. Diese Wirkung ergibt sich einfach daraus, dass durch die Phasenverschiebung von l80 für die dreieckförmige Spannung die Grundwelle in Phasenopposition liegt, also beim Zusammenschalten der Spannungen und UphO(l8O) einerseits und Upn0(9Q) und UphQ(270) andererseits sich ausgleichen. Durch die Zusammenschaltung der hieraus resultierenden Spannung wird die zweite Oberwelle kompensiert, da diese bereits bei einer Phasenverschiebung von 90° der dreieckförmigen Spannung in Phasenopposition liegt. Auf ähnliche Weise verschwindet die dritte Oberwelle. Man kann die Kompensierung noch weiter führen und durch Phasenverschiebungen von nur 45° dann auch die vierte bis siebente Oberwelle beseitigen usw. Diese Anordnungen sind in den Figuren nicht mehr dargestellt. .
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Flg. 5 zeigt noch eine Anordnung, bei der die Zusammenschaltung auf der Motorseite durch eine andere Schaltung der Drosselspulen erreicht wird. Dies 1st zweckmässlg, wenn man die Wechselrlchtergruppen 5 in Reihe schaltet« was bei höheren Betriebsspannungen von Vorteil sein kann. In diesen FaIJ.e sind zwei Oleichstromkreise 4,1 und 4,2 vorgesehen und die Wicklungen der Drosselspule 7 getrennt auf einen Kern gewickelt. Zur Trennung der Kreise sind auch die Motorwioklungen geteilt ausgeführt (6,1 und 6,2). Die Wirkung 1st praktisch die gleiche wie bei der Parallelschaltung, wenn die einzelnen Wechselrlchtergruppen in der angegebenen Weise gesteuert werden. Ausserdem ist auch die Drosselspule 8 vorgesehen, die die Oberwellen im Gleichstromkreis ausgleichen kann. Sie kuppelt die beiden Gleichstromkreise induktiv miteinander, wobei sich verschiedene Oberwellen in den beiden Gleichstromkreisen Über diese als Auegleichstransformator wirkende Drosselspule ausgleichen«
Erwähnt sei noch eine weitere Möglichkeit die Oberwellen zu verringern. Man kann nämlich die Ströme aller Phasen des
Motors über eine gemeinsame Drosselspule 9« wie in Fig. 6 dargestellt, miteinander induktiv koppeln. Hierdurch wird erreicht, dass die gleichphasigen Anteile einen hohen induktiven Widerstand vorfinden, während die Qrundwelle, auf die es ankommt, dadurch, dass die Amperewindungen sich dann aufheben - wie bei jeder Zusammenschaltung von Drehstromsyetemen - keinen Widerstand vorfindet. Die Grundwelle kann sich dann also wie gewünscht richtig ausbilden, während die gleichphasigen Oberwellen einen hohen
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Widerstand vorfinden und dadurch im Strom verringert werden. Im Beispiel der Pig. 6 sind die Weehselriohtergruppen der einzelnen Phase in Reihe geschaltet. Die gleiche Anordnung ist ■ abeir auch für Parallelschaltung voir Wechselrichtergruppen möglich.
In einfacher Weise lassen sich mit der beschriebenen Methode auch die Oberwellen bei Verwendung mehrerer paralleler Motoren, wie es beispielsweise bei Lokomotiven vorkommt, verringern. Wie Pig. 7 zeigt, sind die Motoren 6,1, 6,2 urwt 6r2 je Phase durch nur eine Wechselrichtergruppe 5,1 bis 5*3 *u» dem Gleichstromnetz 4 gespeist. Die Wechselrichterventile der gleichen Phase verschiedener Motoren werden aber durch phasen** , verschobene dreieckförraige Spannungen gesteuert, βΌ dass sieh zwar nicht bei den einzelnen Motoren, wohl aber im speisenden Gleichstromnetz die Oberwellen im Strom stark verringern können.
Ein weiteres Beispiel wird in der Fig.- 8 gezeigt. Dort ist in einfacher Welse eine Wechselrichterschaltung dargestellt* welche ebenfalls den Erfindungsgedanken benutzt und aus einem aieichstromnetz eine konstante Wechselrichterspannung erzeugt(9). Dies geschieht auf die Weise, dass vier Wechselrichtergfcuppen vorgesehen sind (5), welche aus dem Gleichstromnetz h gespeist werden. Diese Wechselrichtergruppen werden paarweis· an Trans-'formatoren (8) geführt, deren Sekundärwicklungen in Reih· geschaltet sind und dem Wechselstromnetz (9) zugeführt werden» Diese Schaltung gilt also nicht/für die Speisung ven Wechselstrommotoren, obwohl natürlich an diese Sammelschiene auch Motoren angeschlossen werden können, sondern dient in erster Linie dazu, beim Ausfall des Ortsnetzes aus einem Glelchstrom-
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netz eine Wechselstromspeisung zu ermöglichen. Damit diese möglichst oberwellenfrei ist, wird die Steuerung in der angegebenen Welse an den Wechselrichtergruppen 5 vorgenommen. Es sind in diesem Falle also vier, auf der Gleichstromseite parallel liegende Wechselrichtergruppen vorgesehen, welche dann eine gewisse Oberwellenfreiheit gewährleisten können. Hier können natürlich zusätzlich noch Pilter vorgesehen werden, um auch die letzten Oberwellenreste noch zu beseitigen. Diese sind nicht in der Figur dargestellt.
Mit diefler Einrichtung können sehr kleine Drehzahlen nicht erreicht werden, da dann die Transformatoren nicht wirken. Man kann zu diesem Zwecke aber mindestens eine Gruppe unmittelbar ohne eigenen Transformator mit Sekundärwicklungen der Transformatoren für die anderen Gruppen in Reihe schalten (nicht gezeichnet). Dann wirken bei niedrigen Drehzahlen nur die ohne Transformatoren angeschlossenen Gruppen.
Die Anordnung nach der Erfindung erfüllt den Zweck, die Oberwellen in der Spannung des Motors und dem Strom des spei* senden Gleichstromnetzes möglichst weitgehend zu verringern und erhöht damit die Leistungsfähigkeit von über Wechselrichter gespeisten Motoren.
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Claims (7)

  1. d b O 9 6 54/64 D
    - 10 Patentansprüche
    /lJ Wechselrichterschaltung insbesondere für Stromrichtermotoren, bei der aus Gleichspannungsanteilen verschiedener Polarität stark oberwellenhaltige sinusförmige der gewünschten Motorfrequenz entsprechende Spannungen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung der Oberwelligkeit je Phase mehrere Wechselrichtergruppen in beliebiger Schaltung verwendet werden, die zu verschiedenen Zeiten gesteuert werden, derart, dass die Oberwellen sich im wesentlichen gegenseitig aufheben.
  2. 2. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, bei der durch Ueberlagerung einer dreieckförmigen Spannung höherer Frequenz als die höchste Motorfrequenz und einer sinusförmigen Spannung der gewünschten Motorfrequenz eine oberwellenhaltige sinusförmige Spannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Je Phase mehrere Wechselrichtergruppen vorgesehen sind, welche mit dreieckförmigen Spannungen verschiedener Phasenlage gesteuert werden, während die Sinusspanrmng bei jeder Gruppe derselben Phase die gleiche Phasenlage besitzt.
  3. 3. Wechselrichteranordnung nach Anspruch'2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichtergruppen gleichstromseitig parallel geschaltet sind und dass wechselstromseitig mindestens für je zwei Wechselrichtergruppen je Phase eine Drosselspule vorgesehen ist, die die Wechselrichtergruppen verbindet und an deren Mitte die Motorwicklung angeschlossen ist.
    SAD
    9098U/0528 - ■■>
    - 11 - 5V64 D
  4. 4. Wechseln.chteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichtergruppen jeder Phase in Reihe geschaltet sind und dass wechselstromseltig Drosselspulen mit Je einer Wicklung für je zwei Stromrichtergruppen mit gemeinsamem Eisenkern vorgesehen sind.
  5. 5. Wechselsrichteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselriehtergruppen verschiedener Phase über Drosselspulen miteinander gekoppelt sind. . (
  6. 6. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 2 mit mehreren parallel laufenden Motoren, dadurch gekennzeichnet, dass die zu den Motoren gehörenden Gleichrichtergruppen mit dreieckförmlgen Spannungen verschiedener Phasenlage je Motor gespeist werden.
  7. 7. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Wechselriehtergruppen mit je einer Primärwicklung von Transformatoren verbunden sind, deren Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind und an eine Wechselstromsammeischiene geführt sind.
    Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.
DE1488096A 1964-04-24 1964-05-08 Wechselrichterschaltung Expired DE1488096C3 (de)

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CH540264A CH420365A (de) 1964-04-24 1964-04-24 Wechselrichterschaltung, insbesondere zur Speisung wenigstens eines Stromrichtermotors
CH1464465A CH455923A (de) 1965-10-22 1965-10-22 Umrichterschaltung zur Speisung eines Stromrichtermotors

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DE1488096B2 DE1488096B2 (de) 1974-03-07
DE1488096C3 DE1488096C3 (de) 1978-10-05

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