DE2004094A1

DE2004094A1 - Frequenzwandler mit Gleichrichtern

Info

Publication number: DE2004094A1
Application number: DE19702004094
Authority: DE
Inventors: Williamson Dennis Peterborough
Original assignee: General Electric Canada Co
Current assignee: General Electric Canada Co
Priority date: 1969-02-10
Filing date: 1970-01-30
Publication date: 1970-09-03
Also published as: GB1260444A; JPS498365B1

Description

1379 -. 1812 ■ Dr. H. Schüler

Patentanwalt

, 6 Frankfurt - 1

Niddästr. 52

. GENERAL ELEOTRIO COMPANY LTDi Toronto, Ontario / Canada

Frequenzwandler mit Gleichrichtern

Die Erfindung betrifft Mehrphasenfrequenzwandlerunter Verwendung gesteuerter Gleichrichter.

Es ist "bekannt, in solchen Anwendungsfällen, wo ein mehrphasiger Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz gewünscht wird, Frequenzwandler mit gesteuerten Gleichrichtern, insbesondere mit Thyristoren zu verwenden. Dieser Wandlertyp wird verwendet zum Steuern der Geschwindigkeit bzw. der Drehzahl von Induktions- oder Synchronmotoren, indem die Frequenz des Speisewechsel«

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Stroms des Motors geändert wird. Hierbei wird üblicherweise gewünscht, daß sowohl die Drehzahl in einem weiten Bereich in beiden Drehrichtungen des Motors gesteuert werden kann, als auch eine elektrodynamische Bremsung in beiden Drehrichtungen möglich ist. Diese Erfordernisse führten zu komplizierten Schaltungen, bei welchen eine große Zahl gesteuerter Gleichrichter verwendet werden.

Deshalb wurden vereinfachte Schaltungen entwickelt. Eine der einfachsten Schaltungen ist eine Dreieckschaltung dreier Ganzwellen- oder Vollwegbrücken, wobei jede Brücke drei parallele Schenkel oder Zweige mit mindestens zwei gesteuerten Gleichrichtern pro Schenkel, bei denen Anode und Kathode in Serie geschaltet sind, aufweist. Der Normalfrequenzeingang der Brücken wird gebildet von drei in Sternschaltung geschalteten Sekundärwicklungen eines Drehstrom- oder Dreiphasentransformators. Jede Sekundärwicklung des !Transformators ist an einen der Schenkel einer der Brücken an der Stelle zwischen den gesteuerten Gleichrichtern angeschlossen. Die einstellbare Ausgangsfrequenz wird zwischen den Brücken an den Ecken der Dreieckschaltung abgenommen. Das Zünden der Gleichrichter wird so gesteuert, daß das Öffnen der Gleichrichter eine Ausgangsfrequenz ergibt, welche innerhalb bestimmter Grenzen einstellbar ist. Ein Hauptnachteil dieser Schaltung ist das Auftreten von ungeradzahligen Harmonischen bei einigen niederen Frequenzen, welche zu unerwünschten Strömen führen, die innerhalb der Schaltung umlaufen. Zur Schwächung oder Verminderung dieser umlaufenden Ströme auf ein annehmbares Maß wurden in der Delta-Schaltung der Brücken Drosseln angeordnet. Die Verwendung von Drosseln zur Verringerung der umlaufenden Ströme ist im kanadischen Patent 716 223 beschrieben.

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Gemäß der Erfindung wird eine Verminderung der im vorstehenden Abschnitt beschriebenen,.in der Breieckschaltung auftretenden umlaufenden Ströme erreicht durch eine Phasenverschiebung der Speisespannungen. Um dies zu verwirklichen, werden anhand der Zeichnungen zwei Wege aufgezeigt. Es zeigen

die Fig. 1 ein Sehaltschema eines Gleichrichter ' aufweisenden Frequenzwandlers zur Veränderung der Frequenz eines üblichen Drehstromes,

die Fig. 2 ein Schaltbild eines anderen Gleichrichter aufweisenden Frequenzwandlers.

In Fig. 1 ist ein Drehstromtransformator 10 mit einer Primärseite 11 in Dreieckschaltung gezeigt, welche von einer Spannungsquelle eines normalfrequenten Wechselstroms, beispielsweise von 60 Hz gespeist wird. D^e in Sternschaltung geschalteten Sekundärseiten 12, 13 und 14 des Transformators sind mit einer Dreieckschaltung der Gleichrichterbrücken A, B und C verbunden. Die Brücken A, Bunde sind untereinander gleich. Jede von ihnen ist eine konventionelle Vollweggleichrichterbrücke für die Verwendung in einer Dreiphasenschaltung. Jede Brücke weist drei parallele Schenkel 15* 16 und 17 mit je zwei gesteuerten Gleichrichtern auf, bei denen jeweils die Anode des einen Gleichrichters in Serie geschaltet ist mit der Kathode des anderen Gleichrichters und bei denen es sich vorzugsweise um !Thyristoren handelt. Die sechs Thyristoren sind in ihrer Zündfolge nummeriert, so ^daß die Nummern 5 und 2 im Schenkel 15, die Nummern: 3 und im Schenkel 16 und die Nummern 1 und 4 im Schenkel 17 angeordnet sind«Jede Sekundärseite des Transformators hat Ausgangsklemmen 18, 19 und 20, die jeweils mit

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einem der drei Schenkel 15, 16 und 17 einer der Brücken jeweils zwischen den zwei Thyristoren eines Schenkels verbunden sind.

Die Punkte 21, 22 und 23 verbinden die Brücken A, B und 0 zu einer Dreieck- oder Deltaschaltung, d»h, sie stellen die Ecken dieser Dreieckschaltung dar und sind die Ausgangsklemmen der im vorstehenden Abschnitt besohrisbenen [' Schaltung. Diese Klemmen sind an einen dreiphasigen Vert braucher M angeschlossen, bei welchem es sich um die

Primärwicklungen eines Induktions- oder Synchronmotors P handeln kann. Beim von den Klemmen 21, 22 und 23 gebildeten Ausgang handelt es sich um einen dreiphasigen Ausgang, dessen Frequenz durch das Zünden bzw. Durohsteuern der Thyristoren einstellbar ist. Handelt es sich bei dem Verbraucher wie üblich um einen Motor, dessen Drehzahl durch die Frequenz bestimmt ist, so ist diese Frequenz J *tber einen großen Bereich einstellbar. In denjenigen

Fällen, in denen die Drehzahl des Motors in beiden Drehrichtungen steuerbar sein muß, kann die Frequenz für beide Motordrehrichtungen einen Bereich von Null bis weit über die Normalfrequenz von 60 Hz (50 Hz) umfassen« Da bei :.■' einem reversiblen Betrieb des Motors üblicherweise die ^ Möglichkeit eines elektrodynamischen Abbremsens des Motors günstig ist, ist es wünschenswert, daß der Umformer in der Lage ist, die vom Motor erzeugte elektrische Energie in das Speisenetz einzuspeisen. Da die für diese Art des Motorbetriebs notwendige Zündsteuerung keinen besonderen Teil der Erfindung darstellt, wird sie auch nur sehr kurz behandelt werden.

Die Umformersohaltungen, soweit sie als bekannt beschrieben sind, verwenden in den GleiohrichterbrüökenA, B und C in Dreieckschaltung Drosseln wie die Drosseln 24, . 25 und 26. Diese Drosseln dienen dazu, die in der Drei-

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eekschaltung zirkulierenden Ströme harmonischen Ursprungs zu vermindern. In einigen Anwendungsfällen ist ein Kondensator geeigneter Größe parallel zu jeder der Drosselspulen 24, 25 und 26 geschaltet. Hierdurch können die umlaufenden Ströme weiter herabgesetzt werden, wenn der LC-Kreis auf die sechste Harmonische der Eingangsfrequenz abgestimmt ist.

Gemäß der Erfindung können die häufig in der Deltaschaltung der Gleichrichterbrücken auftretenden umlaufenden Ströme harmonischen Ursprungs auch auf andere Weise ohne Ver- i

Wendung von Drosseln oder in bestimmten Anwendungsfällen auch in Kombination mit diesen auf ein annehmbar niederes Maß gehalten werden. Dies erfolgt durch Verschieben der an die Gleichrichterbrücken angelegten Spannungen. Bezugnehmend auf die Pig. 1 sind dort die Spannungen der Sekundärseiten 13 und 14 des Transformators um 20° bzw. 40° im gleichen Phasensinn elektrisch gegenüber der Spannung der Sekundärseite 12 verschoben. Dies wird durchdie 20° Drehung im Gegenuhrzeigersinn der Sekundärseite 13 in bezug auf die Sekundärseite 12 und die 40° Drehung im Gegenuhrzeigersinn der Sekundärseite 14 in bezug auf die Sekundärseite 12 dargestellt. Dies bedeutet, daß die Spannung der Sekundärseite 13 um 20° und diejenige der "

Sekundärseite 14 um weitere 20° gegenüber der Spannung der Sekundärseite 12 im gleichen Phasensinn phasenverschoben ist. Deshalb sind die an den Brücken A, B und C anliegenden Spannungen als Dreiphasenspannungen jeweils um 20 fortschreitend gegeneinander phasenverschoben· Hierbei spielt es keine Rolle, ob die Phasenverschiebung im Gegenuhrzeigersinn oder Im Uhrzeigersinn erfolgt, solange die Dreiphasenspannungen fortschreitend in gleicher Richtung um 20° außer Phase sind. Das bedeutet, daß die Beziehungen für die in Fig. 1 gezeigten Sekundärseiten 12, 13 und 14 auch für eine Phasenverschiebung um

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20° im Uhrzeigersinn gelten oder für den Fall, daß die Sekundärseite 12 um 20° im Gegenuhrzeigersinn und die Sekundärseite 14 um 20° im Uhrzeigersinn gegenüber der Sekundärseite 13 phasenverschoben ist bzw. in umgekehrter Richtung phasenverschoben ist. Die Maßnahmen zur Phasenverschiebung der Spannungen der drei Sekundärseiten sind bei dieser Transformatorenart bekannt und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.

Damit die Brücken einen in der Frequenz einstellbaren Ausgangswechselstrom abgeben, besteht ein Mittel zur Steuerung der Zündung der in den Brücken geschalteten Gleichrichtern im wesentlichen in einer Kombination von Schaltkreisen, welche in ihrem Ruhezustand eine Reihe von Impulsen ausreichender Energie erzeugen, um die gesteuerten Gleichrichter in einen leitenden Zustand zu steuern, d.h. um die in den Zeichnungen gezeigten Thyristoren 1 bis 6 zu zünden. Diese Impulse zünden jeden Thyristor bei einem Phasenlaufzeitwinkel von in bezug auf den freien Durchlaßpunkt (free conduction point) der Wellenform der angelegten Spannung. Es ist bekannt, daß bei einer Zündverzögerung von 90° am Ausgang der dreiphasigen Gleichrichterbrücke eine Gleichspannung von Null Volt und ein Wechselstrom der sechsten Harmonischen der Eingangsfrequenz entsteht, wobei die Harmonische aus einem 360 Impulse zählenden, einseitig gerichteten Stromfluß in der Schaltung resultiert (bei 60 Hz). Wird die Zündverzögerung um den 90°-Punkt moduliert, ergibt sich ein modulierter Ausgang von etwa Null Volt. Eine Vollaussteuerung bedeutet ein periodisches Voreilen der Zündverzögerung auf 0° und ein Nacheilen dieser auf 180°, Die Ausgangsfrequenz erscheint somit abhängig von der Periodenzahl der Modulation. Eine Teilaussteuerung oder -modulation, wie beispielsweise bei einem Voreilen der Zündung von 60° und einem Nach-

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eilen von 120°, ergibt eine verminderte Ausgangsspannung. Die Koinzidenzimpulse sind bezogen auf die Anoden- Kathoden-Spannung der leistuiigsthyristoren, Sie sind begrenzt auf die 0° und 180° !Facheileinstellungen. Weiterhin ist etwa "bei der 150° Nachlauf stellung ein einstellbarer Anschlag vorgesehen, um einen Durchschlag des Wechselrichters zu verhindern.

falls die an die Brücken A, B und C angelegten Spannungen der Sekundärseiten 12, 13 und 14 für die einzelnen Thy-· ,

ristoren 1 bis 6 zu hoch sein sollten, kann jeder durch zwei oder mehrere in Serie geschaltete Thyristoren ersetzt werden, entsprechend der an einen der Thyristoren anlegbaren Teilspannung. Diese Maßnahme ist bekannt.

Gemäß der Erfindung kann die Phasenverschiebung der an dem Bruckengleichriehter anliegenden Spannungen auch auf andere Weise erreicht werden. Diese Art wird anhand der Pig. 2 beschrieben. In dieser Figur sind sechs dreiphasige Sekundärseiten 31 bis 36 eines Transformators dargestellt,, welche auf einen mehrschenkligen Spulenkern eines eine dreiphasige Primärwicklung aufweisenden Transformators gewickelt sind, oder die SekundärSeiten λ

von zwei oder mehreren Transformatoren darstellen. Die Sekundärseiten 31 bis 36 sind wechselweise derart in Stern- und Dreieckschaltung geschaltet, daß die Span- , nungen der drei in Sternschaltung geschalteten Sekundär Seiten zueinander in Phase und die Spannungen der drei in Dreieckschaltung geschalteten Sekundärseiten ebenfalls zueinander in Phase sind, jedoch sind die in Sternschaltung geschalteten Sekundär selten um 30° elektrisch phasenverschoben in bezug auf die Spannung der in Dreieck geschalteten Sekundärseiten. Sechs Vollweg-Dreiphasenbrücken D bis 1 mit jeweils sechs Thyristoren sind

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an den Punkten 37 bis 42 in Schleifenschaltung miteinander verbunden. Die Brücken D bis I sind miteinander und mit den Brücken A, B und C gemäß !ig. 1 gleich. Die Sekundärwicklungen 31 bis 36 sind mit jeweils einer der Brücken D bis I verbunden, wobei jeweils eine der drei Klemmen jeder Sekundärseite mit jeweils einem der drei Schenkel einer der Brücken zwischen zwei Thyristoren eines Schenkels verbunden ist. Den Ausgang mit einstellbarer frequenz erhält man an den von den Punkten 37 bis 42 kommenden Leitungen 43 bis 48. Dieser Ausgang ist entweder drei- oder sechsphasig und seine Frequenz₍ist über einen großen Bereich wie bei Mg. 1 durch die Folge und den Zeitpunkt der Zündung der Thyristoren in den sechs Brücken einstellbar. Hierbei ist eine Dreiphasenspeisung über die Leitungen 43, 45 und 47 oder die Leitungen 44t 46 und 48 und eine Sechsphasenspeisung über die Leitungen 43 bis 48 möglich.

Der Frequenzwandler nach Fig. 2 bietet bei Antrieben mit einstellbarer Drehzahl, bei denen starke Motoren benötigt werden, gegenüber der Schaltung nach Fig. 1, einige praktische Vorteile, da hierbei der Motor von einem sechsphasigen Netz gespeist wird. Eine sechsphasige Speisung ergibt eine verbesserte Flußverteilung und ein verbessertes Drehmoment des Motors. Diese Schaltung weist doppelt so viel Sekundärseiten des Transformators und Thyristoren wie diejenige nach Fig. 1 auf, Falls jedoch in erster Linie die Last sehr groß ist, kann die Verdopplung der Zahl der Sekundärwicklungen des Transformators und der Thyristoren wirtschaftlicher sein als eine Verwendung der Schaltung nach Fig. 1.

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Claims

Patentansprüche

Ί.Jfrequenzwandler unter..Verwendung von Gleichrichtern, wobei der Frequenzwandler an mehrphasige Wechselstromquellen relativ konstanter Frequenz angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen der Wechselstromquellen (12 Ma 14 bzw. 31 bis 36) I

phasenverschoben sind und der Wandler eine der Zahl der Wechselstromquellen entsprechende Anzahl von Vollweg- bzw. Ganzwellengleichrichterbrücken (A bis 0 bzw. D bis I) aufweist, von denen jede drei parallele Schenkel (15, 15* .17) mit mindestens zwei gesteuerten Gleichrichtern (1 bis 6) pro Schenkel hat und die Gleichrichter jeweils Anode an Kathode hintereinander geschaltet sind, wobei jede Stromquelle drei Leitungen besitzt und die Leitungen jeweils eine Stromquelle mit einer der Brücken verbindet und jede der drei Leitungen jeder Stromquelle an jeweils einen Schenkel der Brücken zwischen den Gleichrichtern i

angeschlossen ist und wobei die Brücken in eine abgeglichene Breieckschaltung geschaltet sind mit Anschlüssen (21 bis 23 bzw. 43 bis 48) an der Dreieckschaltung der Brücken zum Anschluß dieser an eine mehrphasige Last (M) und derartige Mittel zum Zünden der gesteuerten Gleichrichter, daß deren Stromfluß in Abhängigkeit von der Veränderung der Zündmittel die Frequenz des Stromes der Stromquelle von einem relativ konstanten Wert in eine mehrphasige Frequenz für die Last wandelt.
2. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen aus einer ersten, zweiten und dritten dreiphasigen Wechselstrosquelle (12, 13, 14) konstanter Frequenz bestehen, wobei die Spannungen der zweiten und der dritten Stronquelle um 20° bzw. 40° im gleichen Phasensinn gegenüber der Spannung der ersten Stromquelle phasenverschoben sind und wobei der Wandler drei Gleiehriohterbrüeken (A, B, C) aufweist.
3. Frequenzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen aus einer ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten dreiphasigen Wechselstromquelle (31 bis 36) konstanter Frequenz bestehen, wobei die Spannungen der zweiten, vierten und sechsten Stromquelle untereinander in Phase, jedoch gegenüber den Spannungen der ersten, dritten und fünften Stromquelle, die wiederum untereinander in Phase sind, um 30° phasenverschoben sind und wobei der Wandler sechs Ganzwellengleichrichterbrücken (D bis I) auf ^- weist und die sechs Brücken in einer Schleife entsprechend der Folge der Bezeichnung der Brücken hintereinander geschaltet sind.
4. Frequenzwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen aus drei in Sternschaltung geschalteten Sekundärseiten (12, 13, 14) eines Drehstromtransformators (10) bestehen, dessen Primärseite (11) in Dreieckschaltung geschaltet ist, wobei der Transformator einen gemeinsamen Wickelkern aufweist, auf welchem zur Erzeugung der Phasenverschiebungen die Sekundärseiten gewickelt sind.

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5. Frequenzwandler nacli Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, dritte Und fünfte Stromquelle jeweils von einer ill Sternschaltung geschalteten Selcundär-■ seite"(31f- 33, 35) eines Transformators gebildet wird, wobei deren Spannungen in Phase sind und die zweite, vierte und sechste Stromquelle jeweils von einer in Dreieckschaltung geschalteten Sekundärseite (32, 34, 36) eines Transformators gebildet wird, wobei deren Spannungen ebenfalls in Phase, jedoch gegenüber den Spannungen der Sternschaltungen um30° ί phasenverschoben sind.
6. Frequenzwandler nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Last drei Phasen aufweist, wobei jede Phase mit dem jeweils übernächsten Anschluß (43., 45, 47, bzw. 44, 46, 48) verbunden ist.
7. Frequenzwandler nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Last sechs Phasen aufweist, von denen Jede jeweils mit einem der Anschlüsse (43 bis 48) verbunden ist.
8. Frequenzwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch I gekennzeichnet, daß die .steuerbaren Gleichrichter Thyristoren sind.
9. Frequenzwandler nach Anspruch 4 oder 5.» dadurch gekennzeichnet, daß die-steuerbaren Gleichrichter . Thyristoren sind* ,. _:
10. Frequenzwandler nach,Anspruch 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwischen einigen der Brücken induktive Blindwiderstände (24, 25,, 26) geschaltet sind.

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11. "Frequenzwandler nach Anspruch 2, 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwischen einigen der Brücken ein induktiver Blindwiderstand (24, 25, 26) mit einer dazu parallelen Kapazität geschaltet ist.
12. Frequenzwandler nach Anspruch 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Last aus einem Motor mit zur Speisefrequenz proportionaler Drehzahl besteht.

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