DE1638551B2 - Device for forced commutation for an arrangement for controlling the speed and direction of rotation of a three-phase machine - Google Patents
Device for forced commutation for an arrangement for controlling the speed and direction of rotation of a three-phase machineInfo
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Description
45 Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur 45 The invention relates to a device for
Zwangskommutierung für eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl und Drehrichtung einer Drehstrommaschine, die über einen selbstgeführten Stromrichter mit gesteuerten Hauptventilen in Drehstrom-Brückenschaltung an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist mit jeweils einem Kommutierungskondensator für die beiden Hauptventile des gleichen Strangs der Drehstrom-Brückenschaltung.Forced commutation for an arrangement for controlling the speed and direction of rotation of a three-phase machine, via a self-commutated converter with controlled main valves in a three-phase bridge circuit is connected to a DC voltage source, each with a commutation capacitor for the two main valves of the same branch of the three-phase bridge circuit.
Aus der Siemens-Zeitschrift 1965, Heft 4, S. 254 bis 257, Bild 3, ist eine derartige Einrichtung bekannt. Sie enthält gegenparallel zur Drehstrom-Brückenschaltung der gesteuerten Hauptventile eine Drehstrom-Brükkenschaltung aus ungesteuerten Blindstromventilen. Zur Zwangskommutierungseinrichtung gehören weiter drei Kommutierungskondensatoren, jeder Kommutierungskondensator ist den beiden Hauptventilen eines Strangs der Drehstrom-Brückenschaltung zugeordnet Den beiden Hauptventilen jedes Strangs ist die Serienschaltung aus zwei gesteuerten Kommutterungsventi- 6s len parallel geschaltet, an deren Verbindungsleitung der eine Belag des Kommutierungskondensators angeschlossen ist. Der andere Belag des Kommutierungs-Kondensators ist mit der maschincfraejtigen Verbjn. dungsleitung der gesteuerten Hauptventile des Strangs verbunden. Für jeden Kommutierungnkondensator ist eine laststromabhängige Aufladung mit Hilfe von Lade· drosseln vorgesehen, die in Reihe zu den Hauptventilen liegen, vom Maschinenstrom durchflossen werden und als Energiespeicher dienen. Such a device is known from the Siemens magazine 1965, No. 4, pp. 254 to 257, Fig. 3. It contains a three-phase bridge circuit made up of uncontrolled reactive current valves, counter-parallel to the three-phase bridge circuit of the controlled main valves. The forced commutation device also includes three commutation capacitors, each commutation capacitor is assigned to the two main valves of a branch of the three-phase bridge circuit. The other coating of the commutation capacitor is with the machine-fraejtigen Verbjn. connection line of the controlled main valves of the branch. For each commutation capacitor, load current-dependent charging is provided with the aid of charging chokes, which are in series with the main valves, through which the machine current flows and serve as energy stores.
Im Stationiren Zustand des Stromrichters ist der Ladestrom jedes Kommutierungskondensators gleich dem Strom, den der Kommutierungskondensator während der Schonzeit der Hauptventile bei e'er folgenden Kommutierung übernehmen muß. Das Verhältnis der Kondensatorspannung zum Ladestrom ist somit konstant Erhöht sich nun infolge eines Laststoßes zwischen zwei Komraatierungsvorgängen der Strom, so wird die Schonzeit der Hauptventile entsprechend vermindert Sobald die Schonzeit der Hauptventile kleiner wird als ihre Freiwerdezeit, entsteht ein Kommutierungskurzschluß.When the converter is stationary, the charging current of each commutation capacitor is the same the current that the commutation capacitor generates during the closed season of the main valves when it follows Must take over commutation. The ratio of the capacitor voltage to the charging current is thus constant The closed time of the main valves is reduced accordingly As soon as the closed time of the main valves becomes smaller is than their free time, a commutation short-circuit occurs.
Aufgabe der vorliegenden Erfmrfuni; ist es, die Umgangs genannte Einrichtung mit kleinstmöglichem Aufwand derart auszugestalten, daß Kominutierungskur,:- schlüsse im Fall einer plötzlichen Stromänderung insbesondere bei Leerlauf oder Teillast der angeschlossenen Drehstrommaschine, vermieden werden.Purpose of the present experience; is the one who is dealing to design said facility with the least possible effort in such a way that communication cure,: - especially in the case of a sudden change in current with no-load or partial load of the connected three-phase machine.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zu jedem Kommutierungskondensaior ein aus der Reihenschaltung einer Drosselspule, eines Speicherkondensators und eines gesteuerten Ladeventils bestehender Ladestromkreis geschaltet ist, dessen Ladespannungsquelle parallel zum Speicherkondensator liegt und aus der Serienschaltung einer Diode mit der Sekundärwicklung eines von einer Netzspannung gespeisten Ladetransformators bestehtAccording to the invention, this object is achieved by that parallel to each commutation capacitor one from the series connection of a choke coil, one Storage capacitor and a controlled charging valve existing charging circuit is connected, whose Charging voltage source is parallel to the storage capacitor and is connected in series with a diode the secondary winding of a charging transformer fed by a mains voltage
Hierbei ist also ein zusätzlicher Ladestromkreis für jeden Kommutierungskondensator vorgesehen. Aus diesem Ladestromkreis erhält der Kommutierungskondensator unabhängig von der Belastung immer eine ausreichende Ladung, so daß auch bei schnellen Stromänderungen, insbesondere bei Laststößen, die Kommutierung sichergestellt ist Der Ladestromkreis kann zugleich auch zur Ladung des Kommutierungskondensators vor der Inbetriebnahme des Stromrichters benutzt werden.In this case, an additional charging circuit is provided for each commutation capacitor. the end The commutation capacitor always receives one of this charging circuit regardless of the load Sufficient charge so that commutation occurs even with rapid current changes, especially with load surges The charging circuit can also charge the commutation capacitor at the same time used before commissioning the converter.
Es ist zwar bereits bekannt (Elektrotechnik und Maschinenbau, 82. Jahrgang [1965], Heft 11, S. 525 bis 532. insbesondere Abb. 8), den einzigen Kommutierungskondensator eines einen Motor speisenden Wechselrichters mit Thyristoren in Drehstrom-Brückenschaltung mit einem zusätzlichen Ladestromkreis auszurüsten, der aus der Reihenschaltung einer Drosselspule, eines gesteuerten Ladeventils (Thyristors) und einer Ladegleichspannungsquelle besteht Durch Zünden des Ladeventils wird der Kommutierungskondensator auf die erforderliche Mindestspannung, die zur Kommutierung bei niedriger Drehzahl ausreicht aufgeladen. — Gegenüber dieser Einrichtung zur Zwangskommutierung hat die erfindungsgemäße Einrichtung den Vorteil, daß infoige der Verwendung von drei Kommutierungskondensatoreri die Grenzfrequenz des Stromrichters um den Faktor 3 größer ist, und daß infolge der Verwendung des Speicherkondensators ohne weiteres ein pulsierender Gleichstrom, der von einem Ladetransformator mit nachgeschalteter Diode geliefert wird, zur Aufladung herangezogen werden kann.It is already known (electrical engineering and mechanical engineering, 82nd year [1965], issue 11, pp. 525 to 532. in particular Fig. 8), the only commutation capacitor of an inverter feeding a motor to equip thyristors in a three-phase bridge circuit with an additional charging circuit, the one from the series connection of a choke coil, a controlled loading valve (thyristor) and a There is a DC charging voltage source. The commutation capacitor is activated by igniting the charging valve the required minimum voltage that is sufficient for commutation at low speed is charged. - Compared to this device for forced commutation, the device according to the invention has the advantage that infoige the use of three Kommutierungskondensatoreri the limit frequency of the converter is greater by a factor of 3, and that as a result of the use of the storage capacitor a pulsating direct current that is generated by a charging transformer is supplied with a downstream diode, can be used for charging.
Um beide Polaritäten der Netzspannung auszunutzen, kann so vorgegangen werden, daß für jede Polarität des Kommutierungskondensators ein besondererIn order to use both polarities of the mains voltage, one can proceed in such a way that for each polarity of the commutation capacitor a special one
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Speicberkomlensator vorhanden ist, und daß die beiden Speicherkondensatoren gemeinsam von der Sekundärwicklung des Udetransformators über eine Diode, die entsprechend der Polarität geschaltet ist, aufladbar sind. sSpeicberkomlensator is present, and that the two Storage capacitors shared by the secondary winding of the Udetransformer via a diode that is switched according to the polarity, chargeable are. s
Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung geht aus von der Überlegung, daß ein Laststoß im allgemeinen nur bei Teillast oder Leerlauf der angeschlossenen Drehstrommaschine auftreten kann. Der Ladestromkreis braucht deshalb auch nur bei to diesen Betriebszuständen wirksam zu sein. Die weitere Ausgestaltung besteht darin, daß der Speicherkondensator in Reihe mit einer Entkopplungsdiodc der zugeordneten Phasenwicklung der Drehstrommaschine -parallel geschaltet ist Dann wird die Ladung der Speicherkondensatoren von der Drehstrommaschine vorgenommen, sobald die Maschinenspannung größer wird als die Spannung an den Speicherkondensatoren. Von dem zusätzlichen Ladestromkreis wird somit nur jeweils eine von der Drehzahl und der Maschinenspannung unabhängige Mindestspannung sichergestellt Hierdurch ergibt sich eine beträchtliche Reduzierung der Baugröße des Ladetransformators.A particularly advantageous further embodiment of the invention is based on the consideration that a Load surges generally only occur with part load or idling of the connected three-phase machine can. The charging circuit therefore only needs to to be effective in these operating states. The other The embodiment consists in that the storage capacitor is in series with a decoupling diode of the associated phase winding of the three-phase machine - is connected in parallel Then the storage capacitors are charged by the three-phase machine made as soon as the machine voltage is greater than the voltage on the storage capacitors. The additional charging circuit thus only ensures a minimum voltage that is independent of the speed and the machine voltage This results in a considerable reduction in the size of the charging transformer.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der als A· sführungsbeispiel die Schaltung eines Umrichterantriebs schematisch veranschaulicht istTo further explain the invention, reference is made to the drawing, in which, as an exemplary embodiment the circuit of a converter drive is illustrated schematically
Nach der Figur ist eine Drehstrommaschine 2 mit einer im Stern geschalteten Ständerwicklung, deren Wicklungsenden mit U, V, Wund deren Sternpunkt mit M bezeichnet ist über einen selbstgeführten Stromrichter 3 mit gesteuerten Hauptventilen 4 bis 9 in Drehstrombrückenschaltung an eine Gleichspannungsquelle mit vorzugsweise veränderbarer Ausgangsspannung angeschlossen, die aus einem Drehstromnetz gespeist werden kann und in der Figur nicht näher dargestellt ist.According to the figure, a three-phase machine 2 with a star-connected stator winding, the winding ends of which are designated with U, V, and the star point of which is denoted by M , is connected via a self-commutated converter 3 with controlled main valves 4 to 9 in a three-phase bridge circuit to a direct voltage source with preferably variable output voltage, which can be fed from a three-phase network and is not shown in more detail in the figure.
Den drei Phasenwicklungen UM, VM und WM der Drehstrommaschine 2 ist jeweils ein Kommutierungskondensator 10, 11 bzw. 12 zugeordnet Der Kommu- tierungskondensator 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 Kommutierungskondensatoren Il und 12 jeweils in Reihe mit einem gesteuerten Kommutierungsventil 14,17 bzw. 15,18 einem der übrigen Hauptventile 5, 8 bzw. 6, 9 des Stromrichters 3 parallel geschaltet Die Hauptventile 4 bis 9 sowie die Kommutierungsventile 13 bis 18 können vorzugsweise Thyristoren sein. Kommutierungsüberspannungen können durch ein der Brückenschaltung des Stromrichters 3 gegenparallel geschaltetes ungesteuertes oder gesteuertes Blindstromventil 20 auf ungefährliche Werte vermindert werden.A commutation capacitor 10, 11 or 12 is assigned to each of the three phase windings UM, VM and WM of the three-phase machine 2 In a corresponding manner, the commutation capacitors II and 12 are each connected in series with a controlled commutation valve 14, 17 or 15, 18 one of the other main valves 5, 8 or 6, 9 of the converter 3. The main valves 4 to 9 and the commutation valves 13 to 18 can preferably be thyristors. Commutation overvoltages can be reduced to harmless values by an uncontrolled or controlled reactive current valve 20 connected in counter-parallel to the bridge circuit of the converter 3.
Zur Vorgabe eines eingeprägten Gleichstroms A> kann die Eingangsgleichspannung vorzugsweise von einem Gleichrichter mit Zwangskommutierung vorgegeben werden. Der eingeprägte Gleichstrom h stellt sich nach dem Drehmoment des angeschlossenen Drehstrommotors 2 ein und fließt unabhängig von der Kommutierung des Stromrichters 3 mit wenigstens annähernd gleicher Höhe und mit gleicher Richtung. \m Eingang des Stromrichters 3 können vorteilhafterweise Glättungseinrichtungen, beispielsweise eine Glättungsdrossel 22 und auch noch ein in der Figur nicht dargestellter Kondensator, angeordnet sein. Zur Begrenzung des Strom- und Spannungsanstiegs an den Ventilen Rönnen aweckmaßigerweise in R'.ihe mit den Ventilen Prosseispulen vorgesehen sein, die in der Figur nicht naher bezeichnet sind. To specify an impressed direct current A>, the input DC voltage can preferably be specified by a rectifier with forced commutation. The impressed direct current h is established according to the torque of the connected three-phase motor 2 and flows independently of the commutation of the converter 3 with at least approximately the same level and in the same direction. \ m input of the converter 3 can advantageously smoothing means such as a smoothing reactor 22 and also a capacitor not shown in the figure, be located. To limit the increase in current and voltage at the valves R can be provided in series with the valves Prose spools, which are not shown in detail in the figure.
Zur Ladeeinrichtung für die Kommutierungskondensatoren 10,11,12 nach der Erfindung gehört eine Drosselspule 32, die in Reihe mit einem Speicherkondensator 34 angeordnet ist Sie kann mittels eines gesteuerten Ladeventils 33, insbesondere eines Thyristors, dem Kommutierungskondensator 12 parallel geschaltet werden. Als Ladespannungsquelle für den Speicherkondensator 34 ist diesem die Reihenschaltung aus der Sekundärwicklung 35 eines Ladetransformators 30 und einer Diode 37 parallel geschaltet Die Primärwicklung 36 des Ladetransformators 30 ist an eine nicht naher bezeichnete Wechselspannungsquelle angeschlossen, deren Wechselspannung vorzugsweise eine den Eingangsgleichrichter der Anlage speisende Netzspannung sein kann. Der Ladetransformator 30 kann zweckmäßigerweise mit mehreren Sekundärwicklungen 35 versehen sein, von denen die in der Figur nicht dargestellten Sekundärwicklungen zur Ladung der beiden anderen Kommutierungskondensatoren 10 und 11 dienen können.The charging device for the commutation capacitors 10, 11, 12 according to the invention includes a choke coil 32, which is arranged in series with a storage capacitor 34 Commutation capacitor 12 are connected in parallel. As a charging voltage source for the storage capacitor 34, this is the series connection of the secondary winding 35 of a charging transformer 30 and a diode 37 connected in parallel. The primary winding 36 of the charging transformer 30 is no closer to one designated AC voltage source connected, the AC voltage of which is preferably a line voltage feeding the input rectifier of the system can be. The charging transformer 30 can expediently be provided with a plurality of secondary windings 35, of which the secondary windings (not shown in the figure) are used to charge the other two commutation capacitors 10 and 11 can.
Der Speicherkondensator 34 ·, ;rd über die Diode 37 aufgeladen. Wird das Ladeventil 33 gezündet so entlädt sich der Speicherkondensator 34 über die Drosselspule 32 auf den Kommutierungskondensator 12. Die Anordnung des gesteuerten Ladeventils 33 ermöglicht somit die Verwendung der Anordnung als Ladeeinrichtung für die Inbetriebnahme des Stromrichterantriebs. Mittels einer Entkopplungsdiode 38 kann der Speicherkondensator 34 der Phasenwicklung WM der Ständerwicklung der Drehstrommaschine 2 parallel geschaltet werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Ladung des Speicherkondensators 34 mit steigender Drehzahl von der Drehstrommaschine 2 übernommen wird. Die Anzahl der Umladungen der Kommutierungskondensatoren 10 bis 12 und damit der Mittelwert des ! -adestroms steigen etwa proportional der Drehzahl. Sobald die Maschinenspannung die Spannung des Ladetransformators 30 übersteigt, wird die Ladung des Speicherkondensators 34 von der Drehstrommaschine 2 übernommen. Hierbei wird die Strangspannung der Phasenwicklung WM für die Ladung des Speicherkondensators 34 über die Entkopplungsd'ode 38 und die Drosselspule 32 wirksam. Die Spannung des Speicherkondensators 34 und damit des Kommutierungskondensators 12 steigt dann wenigstens annähernd proportional zur Maschinenspannung. The storage capacitor 34 ·,; rd is charged via the diode 37. If the charging valve 33 is ignited, the storage capacitor 34 discharges via the choke coil 32 to the commutation capacitor 12. The arrangement of the controlled charging valve 33 thus enables the arrangement to be used as a charging device for starting up the converter drive. The storage capacitor 34 of the phase winding WM of the stator winding of the three-phase machine 2 can be connected in parallel by means of a decoupling diode 38. This arrangement has the advantage that the charge of the storage capacitor 34 is taken over by the three-phase machine 2 as the speed increases. The number of charge reversals of the commutation capacitors 10 to 12 and thus the mean value of the! - charging current increases roughly proportionally to the speed. As soon as the machine voltage exceeds the voltage of the charging transformer 30, the charging of the storage capacitor 34 is taken over by the three-phase machine 2. Here, the phase voltage of the phase winding WM is effective for charging the storage capacitor 34 via the decoupling electrode 38 and the choke coil 32. The voltage of the storage capacitor 34 and thus of the commutation capacitor 12 then increases at least approximately proportionally to the machine voltage.
In gleicher Weise ist ein weiterer Speicherkondensator 40 für die Ladung des Kommutierungskondensators 12 mit umgekehrter Polarität über ein gesteuertes Ladeventil 41 vorgesehen. Der Speicherkondensator 40 kann ebenfalls über eine Diode 42 vom Sekundarstrom des Ladetransformators 30 und zugleich auch über eine Entkopplungsdiode 43 von der MascSinenspannung geladen werden. In entsprechender Weis« geschaltete Ladeeinrichtungen sollen auch für die Kommutierungskondensatoren 10 und 11 vorgesehen sein. In the same way, there is a further storage capacitor 40 for charging the commutation capacitor 12 with reversed polarity via a controlled loading valve 41 is provided. The storage capacitor 40 can also via a diode 42 from the secondary current of the charging transformer 30 and at the same time via a Decoupling diode 43 charged by the MascSine voltage will. Charging devices switched accordingly should also be provided for the commutation capacitors 10 and 11.
Die Hauptventile 6 und 8 sollen beispielsweise den gerade über die Phasenwicklung WM fließenden Maschinenstrom führen. Der Strom soll vom Hauptventil 6 auf das Hauptventil 4 kommutieren. Die obere Elektrode des Kommutierungskondensators 12 hat positives Potential, wie in der Figur angedeutet ist Zur Einleitung der Kommutierung wird das zugehörige Kommutierungsventil 15 gezündet Dann kommutiert der über das Hauptventil 6 fließende Strom h auf das Kommu-The main valves 6 and 8 should, for example, lead the machine current flowing through the phase winding WM. The current should commutate from the main valve 6 to the main valve 4. The upper electrode of the commutating capacitor 12 has, as indicated in the figure positive potential to initiate the commutation, the associated commutation valve 15 is ignited then the current flowing through the main valve 6 h current commutates to the communication
tierungsventil 15. Der Kommutierungskondensator 12 wird durch den eingeprägten Strom h umgeladen. Das Hauptventil 6 erlischt und erhält eine Spannung in Sperrichtung bis zum Nulldurchgang der Spannung des Kommutierungskondensators 12, dessen Kapazität so bemessen ist, daß diese Zeit länger ist als die Freiwerdezeit des Hauptventils 6. Sobald das Potential an der Kathode des Hauptventils 4 niedriger ist als das Potential aß der Kathode des Kommutierungsventils 15, kann das Hauptventil 4 gezündet werden. Dann wird der ι ο Strom der Phasenwicklung WM von der Phasenwicklung UM übernommen. Unter der Wirkung der Streuinduktivitäten der beiden Phasenwicklungen fließt ein abnehmender Stromanteil noch weiter aber den Kommutierungskondensator 12 und lädt diesen um. ι scontrol valve 15. The commutation capacitor 12 is recharged by the impressed current h . The main valve 6 goes out and receives a voltage in the reverse direction up to the zero crossing of the voltage of the commutation capacitor 12, the capacity of which is dimensioned so that this time is longer than the release time of the main valve 6. As soon as the potential at the cathode of the main valve 4 is lower than that The main valve 4 can be ignited at the potential of the cathode of the commutation valve 15. Then the ι ο current of the phase winding WM is taken over by the phase winding UM. Under the effect of the leakage inductances of the two phase windings, a decreasing current component flows even further but the commutation capacitor 12 and charges it. ι s
Bei schwacher Belastung und im Leerlauf der angeschlossenen Drehstrommaschine 2 kann der Strom At verhältnismäßig klein und die Umladezeit des Kommutierungskondensators 12 und damit die Stromrührungszeit des Kommutierungsventüs 15 entsprechend langWith a low load and when the connected three-phase machine 2 is idling, the current At relatively small and the charge reversal time of the commutation capacitor 12 and thus the current contact time of the commutation valve 15 is correspondingly long sein. Ferner kann die durch den geringen Strom in der Phasenwicklung WM gespeicherte Energie unter Umständen zur vollständigen Umladung des Kommutierungskondensators 12 nicht ausreichen. Nach der Erfindung wird deshalb während der Umladung des Kommutierungskondensators 12 das Ladeventil 33 gezündet. Sofern die Spannung des Kommutierungskondensators 12 der in der Figur eingetragenen Polarität entgegengerichtet ist und noch nicht gleich der Spannung des Speicherkondensators 34 ist, fließt vom Speicherkondensator 34 ein Schwingstrom über das Ladeventil 33, den Kommutierungskondensator 12 und die Drosselspule 32, welcher die Umladung des Kommutierungskondensators 12 beschleunigtbe. Furthermore, the energy stored in the phase winding WM due to the low current may not be sufficient to completely charge the commutation capacitor 12. According to the invention, the charging valve 33 is therefore ignited during the charge reversal of the commutation capacitor 12. If the voltage of the commutation capacitor 12 is opposite to the polarity shown in the figure and is not yet equal to the voltage of the storage capacitor 34, an oscillating current flows from the storage capacitor 34 via the charging valve 33, the commutation capacitor 12 and the choke coil 32, which reverses the charge of the commutation capacitor 12 accelerated
Sobald die Spannung an der Phasenwicklung WM größer ist als die Spannung der ihr parallelgeschalteten Sekundärwicklung 35, wird der Speicherkondensator 34 von der Phasenwicklung WM geladen, und die Spannung des Ladetransformators 30 bleibt ohne Wirkung.As soon as the voltage on the phase winding WM is greater than the voltage of the secondary winding 35 connected in parallel to it, the storage capacitor 34 is charged by the phase winding WM , and the voltage of the charging transformer 30 has no effect.
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