DE1638646A1

DE1638646A1 - Umrichterschaltung,bestehend aus Gleich- und Wechselrichtern

Info

Publication number: DE1638646A1
Application number: DE19681638646
Authority: DE
Inventors: Harald Elger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-01-18
Filing date: 1968-01-18
Publication date: 1971-04-01
Also published as: FR2000356A1; DE1638646B2; NL168094C; NL168094B; BE727031A; CH492335A; NL6900819A

Description

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Erlangen, den 17.1.1968 Werner-von-Siemene-Str. 50

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Umrichterschaltung, bestehend aus Oleich- und Wechselrichtern

Zur Umformung der Leistung eines Wechsel- oder Drehstromnetxea mit veränderlicher Frequenz in einen Wechsel- oder Drehstrom mit gegebener Frequenz ist es bekannt, Umrichterschaltungen anzuwenden, die aus Umrichtereinheiten mit mindestens einer wechseletromseltig gespeisten OleichrichterbrUckenschaltung und einer dieser nachgeschalteten Wechselrichterachaltung bestehen.

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Di· Aufgabe, Leistung von einem Netz mit veränderlicher Frequenz und Spannung in ein Setz mit feststehender Frequenz einsuspeisan, besteht beispielsweise bei geregelten Asynchronmaschinen Bit Schleifringläufer.

Den Schleifringeil einer aolchen Asynchronmaschine wird eine Spannung entnommen, deren Frequenz abhängig, von der Drehzahl des Schleifringmotors ist. Die Höhe der Spannung tmd die Größe

tP des fließenden Stromes hängt in erster Linie ab von der Drehzahl und von dem Drehmoment der Asynchronmaschine mit Schleifringläufer. Wenn man diese im Läufer der Asynchronmaschine umgesetzte Leistung nicht in Widerständen vernichten, sondern als Nutzleistung in das Setz zurückspeisen «rill, so ist dazu eine Umrichtorschaltung erforderlich, die die Spannunga-, Strom- und Prequenzwerte des Läiaferkreises an die entsprechenden Werte de3 Netzes anpaßt. Sine derartige Umrichtersehaltung besteht beispielsweise aus hintereinandergeschalteten Glei.ch-

A und Wechselriehterschaltungen.

PUr die Dirnensiojiierung dieser Schaltungen muß man -.um Überlastungen der Gleich- oder Wechselrichter zu vermeiden - die verwendeten Bauelemente 30 auslegen, daß sie den bei irgendeinem Betriebszustand auftretenden größten Strom und die bei einem Betriebszustand irgendwann auftretende größte Spannung aushalten können. Wird nun mit einem solchen Asynchronmotor bei3piolewoi,8e ©in Lüfter oder ein anderes Aggregat mit zunehmendem Drehmoe®nt bei wachsender Drehzahl angetrieben, so

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ergibt eich bei geringer Drehzahl an den Schleifringen des Asynchronmotors eine hohe Spannung bei vergleichsweiae kleinem Strom, während in der Nähe der synchronen Drehzahl eine geringe Spannung mit vergleichsweise sehr großem "Strom dem.Laufer zu entnehmen ist. Diese Eigenschaft des Lauf erlcreises hat zur Folge, daß die Bauelemente der Öleich- und Wechselrienterschal tungen in einer Umrichterschaltung wessntlieh größer dimensioniert werden müssen, als es der in irgÄHd«i3i€in betriebsZU,-stand umzusetzenden Leistung entspricht- Ditr zwangsweise AU3- *■ legung des Umrichters für maximalen Spannmn^s^ aad Stromwert hat bei niedriger Spannung im oberen Drehzafelijexeich der Asynchronmaschine einen hohen Blindleistungsbedarf zur Folge.

Aufgabe der Erfindung ist es_f den Aufwand für den Umrichter zu vermindern und die Blindleistung im oberen Brehzahlbsreich herabzusetzen. Die Erfindung betrifft damit eine ümrichterse haltung, bestehend aus Umrichtereinheiten mit mindestens eIner wechselstromseitig gespeisten ßleichrichteTbrückenschal- Λ tung und einer dieser nachgeschalteten !«ehselrichterschaltung, deren Wechselstromanschlüsse am die Wicklung «ines Stromriehtertransformators angeschlossen sind, für Wechsel- oder Drehstromsysteme, bei denen Betriebszustände mit höher Spannung und niedrigem Strom und hohem Strom und niedriger Spannung möglich sind. Das Neue besteht erfindungsgemaS darin, daß für ein in der Frequenz veränderliches Wechsel- oder Drehstromsystem mindestens zwei Uisriclitereinheiten, bestetoend aus -gleiehstroin-8eitlg in Seihe geschalteten GleichrichterbrEeicensehaltungen

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aitWeeheelrichtereehaltungen in Ringschaltimg vorgesehen sind, da0 die Anschlüsse des Wechsel- oder Drehetroasystema an die Wechsel« oder Drehstrom-Anschlußpunkte mindestens einer Gleichrichterbrückenschaltung unmittelbar und an mindestens eine «eitere über Schalter angeschlossen sind* während die· Wechselstromanschlüsse der Wechselriehterschaltungen voneinander getrennt mit Wicklungen eines oder mehrerer Stromrichtertransfonnatoren verbunden sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit zwei Gleichrichter brückenschaltungen und zwei diesen nachgeschalteten Wechselrichterschaltungen in Pig, f dargestellt* An einem Drehstromnet» 1 1st über einen Schalter 2 eine Asynchronmaschine J mit '► einem Schleifringläufer angeschlossen. Uie Schleifringe sind mit einer Anlaßschaltung 4 verbunden. Sie sind außerdem mit den Anschlüßpunkten 5 einer aus den ffleichrlchtern 6 und 7 bestehenden GrIeichrlchterbrückenschaltung verbunden. Biese aus den Gleichrichtern 6 und 7 bestehende Öleichrlchterbrtickenschaltung ist gleiehstroffiseitig in fteihe zu einer iDrosaeli^a zur Sleichstpomglättung und einer im Ausftthrungsbeisi>iel ebenfalls in Brtickenschal tung angeordneten Wechsel rieh ter schal tung aus steuerbareir Stronrichtern B &n& 3 geschaltet. Die Wechselrichterschaltung aus den Stromrichtern S und 9 liegt wiederum tn Reihe zu einer weiteren SleiehstrombriickenseftaEltung, besteiiend aus den Gleichrichtern 10 und ff. Baran schließt »ich eine «weite Wechselrichterschaltung, bestehend aus den Stromrichtern *2 und t% sowie eine zweite ©rössel 14 zmr 'as·; Biese Broseel T4 fat «it die» wteitcfη Anschluß der

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beschriebenen Gleichrichterbrückenschaltung aus den Gleichrichtern 6 und 7 verbunden, so daß in einer Ringschaltung ä'.lle vorhandenen Gleichrichterbrückenschaltungen abwechselnd mit Wechselrichterschaltungen zusammengefaßt sind. Während die Anschlußpunkte 5 der Gleichrichterbrückensehaltung mit den . Gleichrichtern 6 und 7 unmittelbar mit den Schleifringen des Asynchronmotors 3 verbunden sind, sind d.ie Anschlußpunkte der Gleichrichterbrückenschaltung mit den Gleichrichtern 10 und 11 über einen SchaLter 15 mit dem Läuferkreis des Asyn- -m chronmotors 3 verbunden. .

Wenn der Schalter 15 geöffnet ist, sind also beide Wechselrichtorschaltungen, bestehend aus den Stromrichtern 8, 9 und 12, 13, zueinander in Reihe geschaltet. Die Gleichrichterbrückenychaltung, bestehend aus den Gleichrichtern 10 und 11, ■ i.-t dat)fti funktionslos. Die Wechselstromanschlüsse 16 und der Wechselrichterschaltungen 8, 9 und 12, 13 sind an je eine Sekundärwicklung 18 bzw. 19 eines Stromrichtertransförmators ger.ohaltet, dessen Primärwicklung 21 über einen Schalter 22 an ™ das Drehiitromnetz 1 angeschlosaen ist.

Die in Pig. 1 nicht dargestellte Regelung3- und Steuerungseinrichtung fiii^ die Stromrichter der Wechselrichterschaltungen veranLaiJt,:, daß die für die jeweils gewUnachte Drehzahl -deä ' Asynchronmotors 3 im Läuferkrein· umzuaetzende Leistung in Drehstromnetz 1 zurUckgeapeiBt wird. . ·: ~ - -.-■'■

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Zur Erläuterung der Wirkungsweise ist in Fig. 2 ein Diagramm der Spannungen und Ströme in der Schaltung nach Fig. 1 dargestellt. In diesem Diagramm sind mit dünnen Linien diejenigen Werte eingetragen, die sich bei Verwendung nur einer Umrichtereinheit ergeben würden, während mit stärkeren Linien die Betriebskenngrößen eingetragen sind, die sich alt. Umschaltung durch den Schalter 15 bei der Schaltung nach Fig. 1 ergeben. '

In Fig.. 2 ist mit A der Verlauf der Läuferspannung der Asynchronmaschine 3 bezeichnet. B stellt die Kurve für die Gleichspannung an einer Wechselrichterschaltung mit den Wechsel-? ; richtern 8, 9 oder 12, 1? dar, während mit C der Läuferstrom der Asynchronmaschine 3 und mit D der Gleichstrom einer Wechselrichterschaltung bezeichnet ist. Die gestrichelten senk^- rechten Geraden B1 und E2 begrenzen den Drehzahlstellbereich, der bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 1 von den Strom— richterschaltungen gesteuert werden soll. Nach dem Anlassen

der Asynchronmaschine 3 durch nicht dargestellte Widerstände in der Anlaßnchaltung 4 werden diese Widerstände abgeschaltet und an jeder Wechselrichterschaltung liegt die durch den Punkt BI in Fig. 2 gekennzeichnete Spannung. Diebe Spannung ist halb so groü, wie die Spannung am Punkt A1, da beide Wechaelrichterschaltungen in Reihe geschaltet sind. Bei wachsender Drehzahl des Asynchronmotors 3 nimmt die Spannung B ab, bis bei Erreichen des schraffierten Bereiches z.B. im Punkt B2 der Schalter I^ geschlossen wird. Dadurch sind auch die An-Bchlüüpünkte 2 3 unmittelbar mit dem Läuferkreia des Asynchron-

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motors 3 verbunden und die Gleichrichterbrückenschaltung mit den Gleichrichtern 10 und 11 wird ebenfalls wirksam.

Die durch Schließen des Sehalters 15 sich ergebende Schaltung ist in anderer und übersichtlicherer Form noch einmal in Pig. 3 dargestellt. Die Schaltung nach Fig. 3 ergibt sich also aus der Schaltung nach Fig. 1 einfach durch Umzeichnen, wenn man den Schalter 15 als geschlossen annimmt. Me Gleich- und Stromrichter in Fig. 3 sind wie die übrigen Teile mit den gleichen Ziffern wie in Fig. T versehen. Wie Fig. 3 otee weiteres erkennen läßt, hat also das Schließern des Schalters 15 in Fig. 1 die Folge, daß aus der Reihenschaltung der Wechselrichterschaltungen mit den Stromrichtern 8, 9 und %2_t 13 eine Parallelschaltung wird., Durch diese Parallelschaltung wird der Strom in den Wechselricfeterfarücken nach Kurve D in Fig. 2 halbiert, während an aen WeehselriehterbrüekeR die volle Spannung entsprechend Kurve A ansteht. Der in Fig. 2 schraffiert dargestellte ,Bereich zeigt, daß bei den angenommenen Daten ein gewisser Drehzahlspielraum für die umschaltung; zur Verfügung steht» ahne daß die angegebenen Maximalwerte für Gleichspannung und Sieichstrom einer Weehselrich-terschaltung überschritten werden« Ein besonderer' Vorteil der angegebenen Ümrichterschaltang liegt; darin, daß die umschaltung von Reihen- in Parallelschaltung dier UmriGht©reinheiten nur durch Schließen eines Schalters vorgenommen wird. Der Übergang von der Reihenschaltung in die Parallelschaltung erfordert also keine Ümschaltungr. bei der ein Kontakt geschlossen xmd gleichzeitig ein anderer geSffnet werden miiS. Damit ist ste&erge-

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stellt, daß die Umschaltung ohne Stromunterbrechung und ohne vorübergehenden Kurzschluß durchgeführt wird, so daß Schaltüberspannungen, und Stromstöße an den Gleich- und Wechselrichtern nicht zu Überlastungen führen können.

'In Pig. 4- ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung unter Verwendung von drei Gleichstrombrücken schaltungen und drei Wechselrichterschaltungen dargestellt. In dieser Schaltung sind gleiche Teile wie in den Figuren 1 und 3 niit gleichen Bezugszeichen versehen. Zusätzlich ist in den Ring eine Gleiehstrombrückenschaltung mit den Gleichrichtern 24 und 25 und eine Wechselrichterschaltung mit den Gleichrichtern 26 und 2.7» sowie Anschlußpunkten 28 zur Verbindung der Drehstromanschlüsse der aus den Stromrichtern 26 und 27 aufgebauten Wechselrichterschaltung mit der Sekundärwicklung 29 des Stromrichtertransformators 20 eingefügt. Eine weitere Drossel 30-gewährleistet auch für diesen Gleichrichter eine Glättung des Gleichstromes. Die Wechselstromanschlüsse der GleichrichterbrückenschäLtung mit den Gleichrichtern=24 und 25 sind über einen Schalter 32 mit den Anschlußpunkten 5 der Gleichrichterbrückenschaltung mit den Gleichrichtern 6 und 7 verbunden.

Wenn bei dieser Schaltung zunächst der Schalter 23 geschlossen wird, liegt der Wechselrichter mit den Stromrichtern 26 und 2? parallel zu der Reihenschaltung der Wechselrichterschaltungen mit den Stromrichtern 8, 9 und 12, 13. Wenn auch der Schalter 15 geschlossen ist, sind alle drei Wechsel- *

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richterschaltungen einander parallel geschaltet, während
eine Reihenschaltung aller drei Wechselrichterschaltungenbesteht, wenn sowohl der Schalter 15 als auch der Schalter geöffnet ist. Bei der Umschaltung ist es also nicht erforderlich, daß die Schalter 15 und 32 gleichzeitig ein- bzw. ausschalten. ·

In entsprechender Weise läßt sich die angegebene Schaltung

auch auf vier oder mehr Umrichtereinheiten erweitern. ((|

1 Patentanspruch
4 Figuren

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Claims

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Patentanspruch

Umrichterschaltung, bestehend aus Umrichtereinheiten mit mindestens einer wechselstromseitig gespeisten Gleichrichter— brückenschaltung und einer dieser nachgeschalteten Wechselrichterschaltung, deren Wechselstromanschlüsse an die Wicklung eines Stromrichtertransformators angeschlossen sind, für Wechsel- oder Drehstromsysteme, bei denen ßetriebszustände mit hoher Spannung und niedrigem Strom und hohem Strom und niedriger Spannung möglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß für ein in der Frequenz veränderliches Wechseloder Drehstromsystem mindestens zwei Umrichtereinheiten (6 bis 13)» bestehend aus gleichstromseitig in Reihe geschaltete Gleichrichterbrückenschaltungen (6,7 und 10,11) mit Wechselrichterschaltungen (8,9 und 12,13), in Ringschaltung vorgesehen, sind, daß die Anschlüsse des Wechsel- oder Drehstromsystems an die Wechsel- oder Drehstrom-Anschlußpunkte (5) mindestens einer Gleichrichterbrücken3chaltung(6,7) unmittelbar und an mindestens eine weitere (10,11) über Schalter (15) angeschlossen sind, während die Wechselstromanschlüsse (16,17) der Wechselrichtersehaltungen voneinander getrennt mit Wicklungen eines oder mehrerer Stromrichtertransformatoren verbunden sind.

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