DE1513518C

DE1513518C - Device for forced commutation for a self-commutated converter to control the speed and direction of rotation of a three-phase motor

Info

Publication number: DE1513518C
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing.; Steinkönig Hans Dipl.-Ing.; 8520 Erlangen Köllensperger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1972-08-03

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Zwangskommutierung für einen selbstgeführten Stromrichter mit gesteuerten Hauptventilen in Drehstrombrückenschaltung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung eines Drehstrommotors, dessen Phasen je ein Kommutierungskondensator zugeordnet ist, der in Reihe mit jeweils einem Kommutierungsventil je einem der an dieselbe Motorphase angeschlossenen Hauptventile parallel geschaltet ist.The invention relates to a device for forced commutation for a self-guided Converter with controlled main valves in three-phase bridge circuit to control the speed and direction of rotation of a three-phase motor, whose phases are each assigned a commutation capacitor is, which is in series with one commutation valve each to the same motor phase connected main valves is connected in parallel.

Es ist eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung einer Drehstrommaschine bekannt (deutsche Zeitschrift »Siemens Zeitschrift«, 39. Jahrgang [1965], S. 254 bis 257), die über einen selbstgeführten Stromrichter mit gesteuerten Hauptventilen in Drehstrombrückenschaltung an eine Gleich-Spannungsquelle mit veränderbarer Spannung angeschlossen ist. Der Stromrichter liefert der Maschine Spannungen veränderbarer Größe, veränderbarer Frequenz und umkehrbarer Phasenfolge. Im allgemeinen wird mit der Spannung im Gleichstromzwischenkreis die Größe der Maschinenspannung, mit der Taktfrequenz des Wechselrichters die Frequenz der Maschine und mit der Reihenfolge der Stromführung der Hauptventile die Drehrichtung bestimmt. Zu diesem Zweck ist der Stromrichter mit einer Kommutierungseinrichtung versehen, die für jede Motorphase einen Kommutierungskondensator enthält, der in Reihe mit jeweils einem gesteuerten Kommutierungsventil je einem der an die gleiche Motorphase angeschlossenen Hauptventile parallel geschaltet ist. Ferner ist jedem der Hauptventile eine Reihenschaltung einer Kommutierungsdrossel mit einem in Sperrichtung des Hauptventils gepolten Blindstromventil parallel geschaltet. Zur Lieferung der Blindleistung für den oder die angeschlossenen Verbraucher dient ein dem Gleichstromeingang parallelgeschalteter Kondensator, der zugleich als Glättungskondensator ausgelegt sein kann. Die Welligkeit der Maschinenspannung wird wesentlich von diesem Kondensator bestimmt.An arrangement for controlling the speed and direction of rotation of a three-phase machine is known (German magazine "Siemens Zeitschrift", 39th year [1965], pp. 254 to 257), which has a self-guided Converter with controlled main valves in a three-phase bridge circuit to a DC voltage source with variable voltage is connected. The converter supplies the machine Voltages of variable magnitude, variable frequency and reversible phase sequence. In general the voltage in the DC link becomes the size of the machine voltage, with the clock frequency of the inverter the frequency of the machine and with the sequence of Current conduction of the main valves determines the direction of rotation. For this purpose the converter is with a commutation device is provided which has a commutation capacitor for each motor phase contains, in series with one controlled commutation valve each one of the same Motor phase connected main valves is connected in parallel. Further, each of the main valves is one Series connection of a commutation reactor with one polarized in the blocking direction of the main valve Reactive current valve connected in parallel. To supply the reactive power for the connected The consumer is used by a capacitor connected in parallel to the DC input, which also acts as a smoothing capacitor can be designed. The ripple of the machine voltage is significantly affected by this Capacitor determined.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die erwähnten aufwendigen Kommutierungseinrichtungen wesentlich zu vereinfachen.The object of the present invention is now to provide the complex commutation devices mentioned to simplify significantly.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Stromrichter ein eingeprägter Strom vorgegeben ist und für jeden Kommutierungskondensator jeweils nur ein einziger, ausschließlich die Phasenwicklung des Motors als Induktivität enthaltender Kommutierungskreis vorgesehen ist.This object is achieved according to the invention on the basis of the device of the type mentioned at the beginning solved in that the converter is given an impressed current and for each commutation capacitor only one at a time, exclusively the phase winding of the motor as inductance containing commutation circuit is provided.

Hierbei erfolgt die Umladung der Kommutierungskondensatoren beim Kommutierungsvorgang ausschließlich über die Induktivitäten der Maschine, so daß keine Kommutierungsdrosseln mehr nötig sind und auch die Blindstromdioden entfallen. Der Maschine braucht nur noch der Strom vorgegeben zu werden, und infolge des eingeprägten Stromes stellt sich eine annähernd sinusförmige Maschinenspannung etwa proportional der Drehzahl von selbst ein, so daß auch eine bessere Ausnutzung der Maschine erzielt wird. Die erforderliche Blindleistung wird den Kommutierungskondensatoren entnommen, so daß auch der Eingangskondensator hiervon entlastet wird.The commutation capacitors are recharged during the commutation process exclusively via the inductances of the machine, so that no commutation reactors are required and the reactive current diodes are also omitted. The machine only needs the current to be specified and as a result of the impressed current there is an approximately sinusoidal machine voltage roughly proportional to the speed by itself, so that a better utilization of the machine is achieved. The required reactive power is taken from the commutation capacitors so that the input capacitor is also relieved of this.

Unter Umständen kann die Spannung der Kommutierungskondensatoren die Eingangsspannung des Stromrichters überschreiten, so daß an den Thyristoren gefährliche Überspannungen entstehen können. Die Verhinderung solcher Überspannungen durch die üblichen Beschaltungselemente mit kapazitiven Speichergliedern kann unwirtschaftlich sein. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind daher die Gleichstrom-Eingangsklemmen des Stromrichters durch ein in Sperrichtung des Gleichstromes gepoltes Überbrückungsventil miteinander verbunden.Under certain circumstances, the voltage of the commutation capacitors can match the input voltage of the Power converter exceed, so that dangerous overvoltages can arise on the thyristors. The prevention of such overvoltages through the usual wiring elements with capacitive Storage links can be uneconomical. According to a development of the invention are therefore the DC input terminals of the converter through a reverse direction of the DC current polarized bypass valve connected to each other.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawings. It shows

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel mit der erfindungsgemäßen Kommutierungseinrichtung undF i g. 1 shows an exemplary embodiment with the commutation device according to the invention and

F i g. 2 Diagramme zur Veranschaulichung des Verlaufs von Strom und Spannung während der Kommutierung.F i g. 2 diagrams to illustrate the course of current and voltage during the Commutation.

Nach F i g. 1 ist ein Drehstrommotor 2, der sowohl ein Drehstromasynchron- als auch ein Drehstromsynchronmotor sein kann, über einen selbstgeführten Stromrichter 3 mit gesteuerten Hauptventilen 4 bis 9 in Drehstrombrückenschaltung an einem Gleichrichter 22 mit veränderbarer Ausgangsspannung angeschlossen, der aus einem Drehstromnetz mit den Phasen R, S und T gespeist wird. Den Phasen des Drehstrommotors 2 ist jeweils ein Kommutierungskondensator 10 bzw. 11 bzw. 12 zugeordnet. Der Kommutierungskondensator 10 ist in Reihe mit einem gesteuerten Kommutierungsventil 13 dem Hauptventil 4 und in Reihe mit einem gesteuerten Kommutierungsventil 16 dem Hauptventil 7 parallel geschaltet. In entsprechender Weise sind die Kondensatoren 11 und 12 jeweils in Reihe mit einem gesteuerten Kommutierungsventil 14, 15 und 17, 18 einem der übrigen Hauptventile des Stromrichters 3 parallel geschaltet. Die gesteuerten Hauptventile 4 bis 9 sowie die Kommutierungsventile 13 bis 18 können vorzugsweise Thyristoren sein.According to FIG. 1 is a three-phase motor 2, which can be either a three-phase asynchronous or a three-phase synchronous motor, connected via a self-commutated converter 3 with controlled main valves 4 to 9 in a three-phase bridge circuit to a rectifier 22 with variable output voltage, which comes from a three-phase network with phases R, S and T is fed. A commutation capacitor 10 or 11 or 12 is assigned to each phase of the three-phase motor 2. The commutation capacitor 10 is connected in series with a controlled commutation valve 13 to the main valve 4 and in series with a controlled commutation valve 16 in parallel with the main valve 7. In a corresponding manner, the capacitors 11 and 12 are each connected in series with a controlled commutation valve 14, 15 and 17, 18 to one of the other main valves of the converter 3 in parallel. The controlled main valves 4 to 9 and the commutation valves 13 to 18 can preferably be thyristors.

Zur Erzeugung und besseren Konstanthaltung des eingeprägten Gleichstromes /₀ kann der Gleichrichter 22 vorzugsweise mit einer Zwangskommutierung versehen sein, welcher die Einstellung eines erforderlichen Stromwertes für den eingeprägten Eingangsstrom /₀ durch beliebige Änderung sowohl der Zündais auch der Löschzeitpunkte der Ventile des Gleichrichters nahezu unabhängig von den Nulldurchgängen der Spannung des Wechsel- oder Drehstromnetzes ermöglicht. Im dargestellten Beispiel ist ein Gleichrichter 22 beispielsweise in halbgesteuerter Brückenschaltung mit löschbaren Ventilen 23 bis 25 in einer Brückenhälfte und ungesteuerten Ventilen 26 bis 28 in der anderen Brückenhälfte vorgesehen. Am Ausgang des Gleichrichters 22 kann zweckmäßig eine Glättungseinrichtung mit einem Kondensator 29 und Glättungsdrosseln 30 und 31 angeordnet sein. Der Kondensator 29 und die Drossel 30 dienen zur Verminderung des Oberwellengehaltes des Stromes am Ausgang des Gleichrichters 22. Die Drossel 31 liefert in Verbindung mit der Drossel 30 den eingeprägten Strom /₀ für den Stromrichter 3.In order to generate and better keep the impressed direct current / ₀ constant, the rectifier 22 can preferably be provided with a forced commutation, which allows the setting of a required current value for the impressed input current / ₀ by changing both the ignition relay and the extinction times of the rectifier valves almost independently of the Allows zero crossings of the voltage of the AC or three-phase network. In the example shown, a rectifier 22 is provided, for example in a semi-controlled bridge circuit with erasable valves 23 to 25 in one bridge half and uncontrolled valves 26 to 28 in the other bridge half. A smoothing device with a capacitor 29 and smoothing chokes 30 and 31 can expediently be arranged at the output of the rectifier 22. The capacitor 29 and the choke 30 serve to reduce the harmonic content of the current at the output of the rectifier 22. The choke 31, in conjunction with the choke 30, supplies the impressed current / ₀ for the converter 3.

Nach F i g. 2 a wird dem Eingang des Stromrichters 3 ein eingeprägter Gleichstrom /₀ mit geringer Welligkeit vorgegeben. Zur Zeit t₀ sollen die Hauptventile 4 und 9 und die Phasen U und W des Motors 2 stromführend sein. Am Kommutierungsventil 16 liegt negative Sperrspannung, die sich aus der Differenz der Spannung U_K der Kondensatoren und der Spannung zwischen den Punkten A und C im Gleichstromkreis zusammensetzt. Wird zur Zeit f, das Kommutierungsventil 13 gezündet, so entlädtAccording to FIG. 2 a, an impressed direct current / ₀ with low ripple is given to the input of the converter 3. At time t ₀ , main valves 4 and 9 and phases U and W of motor 2 should be live. The commutation valve 16 has a negative blocking voltage, which is composed of the difference between the voltage U _{K of} the capacitors and the voltage between points A and C in the direct current circuit. If the commutation valve 13 is ignited at time f, it discharges

sich der Kommutierungskondensator 10, dessen dem Hauptventil 4 zugewandte Seite positive Ladung hat, über das Hauptventil 4 und das Kommutierungsventil 13. Dabei kommutiert der eingeprägte Strom /₀ vom Hauptventil 4 auf das Kommutierungsventil 13 und fließt vom Punkte über das Kommutierungsventil 13, den Kondensator 10, die Phasen U und W zum Hauptventil 9 und dem Gleichstromanschluß C. Es sei angenommen, daß der Betrag der Kondensatorspannung U_K höher ist als die Spannung im Gleichstromzwischenkreis. Dann bedingt diese Spannungsdifferenz einen Anstieg des Stromes Z₁₃ nach F i g. 2 d über den Betrag des Stromes Z₀ hinaus. Das Überbrückungsventil 20 übernimmt nun den über den Betrag von Z₀ hinausgehenden Stromanteil Z₂₀ nach F i g. 2 f und verhindert so eine Vorzeichenänderung der Spannung im Gleichstromzwischenkreis und eine Überspannung am Kommutierungsventil 7, da ohne die Wirkung des Uberbrückungsventils 20 am Kommutierungsventil 7 nicht mehr die Differenz der Kondensatorspannung und der Gleichspannung, sondern die Summe dieser Spannungen anliegen würde. Die Stromführungsdauer des Ventils 20 ist abhängig von der Größe der Kondensatorspannung und der Dämpfung im Kommutierungskreis, welche durch die Kreisdaten und durch die Drehmomentbildung des angeschlossenen Motors gegeben sind.The commutation capacitor 10, whose side facing the main valve 4 has a positive charge, is via the main valve 4 and the commutation valve 13. The applied current / ₀ commutates from the main valve 4 to the commutation valve 13 and flows from the point via the commutation valve 13, the capacitor 10 , the phases U and W to the main valve 9 and the direct current connection C. It is assumed that the magnitude of the capacitor voltage U _{K is} higher than the voltage in the direct current intermediate circuit. Then this voltage difference causes an increase in the current Z ₁₃ according to FIG. 2 d beyond the amount of the current Z ₀ . The bypass valve 20 now takes over the current component Z ₂₀ according to _{FIG. 1 which exceeds the amount of Z 0.} 2 f and thus prevents a change in sign of the voltage in the DC link and an overvoltage at the commutation valve 7, since without the effect of the bridging valve 20 at the commutation valve 7, the difference between the capacitor voltage and the DC voltage would no longer be present, but the sum of these voltages. The current-carrying time of the valve 20 depends on the size of the capacitor voltage and the damping in the commutation circuit, which are given by the circuit data and by the torque generated by the connected motor.

Bis zum Nulldurchgang der Kondensatorspannung U_K liegt am Hauptventil 4 negative Sperrspannung, welche den Strom im Ventil 4 bis zur Zeit t₂ zum Erlöschen bringt. Nach dem Nulldurchgang der Kondensatorspannung U_K wird der Kondensator 10 in Verbindung mit der Erfindung durch die Induktivität des angeschlossenen Motors 2 mit umgekehrtem Vorzeichen wieder aufgeladen. Die Aufladung erfolgt stromabhängig über den eingeprägten Strom, wobei die Streuinduktivität des kommutierten Wicklungsstranges stromtreibend wirkt und hierdurch die magnetische Energie teilweise in den Kondensator 10 überträgt. Zur Zeit i₄ wird das Ventil 5 gezündet und übernimmt zur Zeit t_s den vollen Strom vom Kommutierungsventil 13.Until the capacitor voltage U _K passes through zero, there is a negative blocking voltage at the main valve 4, which causes the current in the valve 4 to be extinguished by the time t _2. After the capacitor voltage U _K has passed zero, the capacitor 10 in connection with the invention is recharged with the opposite sign due to the inductance of the connected motor 2. The charging takes place in a current-dependent manner via the impressed current, the leakage inductance of the commutated winding phase having a current-driving effect and thereby partially transmitting the magnetic energy into the capacitor 10. At time i ₄ the valve 5 is ignited and takes over the full current from the commutation valve 13 at time t _s.

Claims

Patent claims:

1. Device for forced commutation for a self-commutated converter with controlled main valves in a three-phase bridge circuit to control the speed and direction of rotation of a three-phase motor, whose phases are assigned a commutation capacitor, which is connected in series with a commutation valve each to one of the main valves connected to the same motor phase, characterized in that an impressed current (Z ₀ ) is specified for the converter (3) and only a single commutation circuit is provided for each commutation capacitor (10, 11, 12), exclusively containing the phase winding of the motor as inductance.

2. Device according to claim 1, characterized in that the direct current input terminals of the converter (3) by a bypass valve polarized in the reverse direction of the direct current (20) are interconnected.

1 sheet of drawings