DE2112580A1

DE2112580A1 - Verfahren zur Steuerung von Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE2112580A1
Application number: DE19712112580
Authority: DE
Inventors: Osamu Inada; Kyozo Tachibana
Original assignee: Hitachi Ltd; Japan National Railways
Current assignee: Hitachi Ltd; Japan National Railways
Priority date: 1970-03-16
Filing date: 1971-03-16
Publication date: 1971-10-14
Also published as: DE2112580B2; JPS5034206B1; SE370598B; DE2112580C3; FR2084613A5

Description

DA-4233 '

Beschreibung
zu der

Pat entanmeldung

der

Hitachi, Ltd.
1-5-1, Marunouchi, Ohiyoda-ku, Tokyo, Japan

und

Japanese National Railways 1-6-5, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

betreffend

Verfahren zur Steuerung von Gleichstrommotoren (Priorität; 16. März 1970, Japan, Hr. 21 505/70)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Bleichstrommotoren, insbesondere ein Steuerverfahren, durch das höhere Harmonische verringert werden, die in der einem Motor zugeführten Steuerspannung oder im Motorstrom. dadurch erzeugt werden können, daß mittels Thyristoren oder dergleichen die Phase einer Wechselspannung gesteuert wird.

Es sind verschiedene Arten von Einrichtungen zur Speisung von Gleichstrommotoren aus Wechselspannungsquellen mit phasengesteuerten Einrichtungen wie Thyristoren oder zur Wiedergewinnung der

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in Gleichstrommotoren erzeugten Leistung in Wechselspannungsquellen bekannt. Der Wechselstrom enthält bei solchen Einrichtungen eine Anzahl höher harmonischer Komponenten. Von diesen harmonischen Komponenten ist die dritte die stärkste, was zu Fehlfunktionen von in Unterstationen vorgesehenen Distanzrelais oder Fehlerortsmessern führen kann, wenn die Viechseispannung von dort zugeführt wird.

Wird die Wechselspannung von anderen Stellen zugeführt, so kann die dritte Harmonische ebenfalls höhere Eisenverluste und/oder Fehler in verschiedenen Einrichtungen und/oder Meßgeräten oder Schwierigkeiten durch die Induktion hervorrufen.

Herkömmliche Einrichtungen zur Vermeidung derartiger Schwierigkeiten sind beispielsweise Filter. Bei Spannungen normaler Netzfrequenz ist die Frequenz der dritten Harmonischen noch sehr niedrig, so daß entsprechende Filter verhältnismäßig groß sind. Derartige große Filter können jedoch nicht auf Fahrzeugen, beispielsweise Elektrofahrzeugen montiert werden, wenn ■ die Harmonische darin erzeugt wird. Daher werden bei solchen Fahrzeugen nur Filter für die fünfte und siebte Harmonische vorgesehen. Große Filter für die dritte Harmonische werden üblicherweise bei der Spannungsquelle aufgestellt. Diese müssen jedoch für die Gesamtlast ausgelegt werden, was ihre Größe noch erhöht.

Dies ist nicht nur bei Elektrofahrzeugen der Fall, sondern auch bei ähnlichen Belastungen. Die aufgeführten Nachteile

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können Jedoch durch die bisher bekannten Gegenmaßnahmen nicht völlig vermieden werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren und eine Steuerschaltung für Gleichstrommotoren sowie für ähnliche abgewandelte Schaltungsanordnungen oder Steuersysteme anzugeben, durch die die oben aufgeführten Nachteile vermieden und nicht die in derartigen Vorrichtungen erzeugten Harmonischen unterdrückt, sondern ihre Erzeugung selbst verhindert wird.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Brenndauer in jedem Halbzyklus des durch eine Wechselspannungsquelle fließenden Stroms auf einem festen Wert gehalten wird, so daß dem Gleichstrommotor über eine Phasensteuereinrichtung aus der Wechselspannungsquelle Leistung zugeführt oder im Gleichstrommotor erzeugte Leistung in der Wechselspannungsquelle durch Viechseirichterbetrieb der gesteuerten Gleichrichtereinrichtungen wiedergewonnen wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß für den Pail, daß jede Wechselspannungsquelle mittels eines Transformators in mehrere derartiger Spannungsquelleneinheiten unterteilt ist, die Brenndauer des durch jede der Spannungsquelleneinheiten fließendeii Viechseistroms in jedem Halbzyklus auf einem konstanten Wert gehalten wird, so daß der Gleichstrommotor in der oben beschriebenen Weise durch die gesteuerten Gleichrichtereinrichtun-

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gen für jede Spannungsquelleneinheit gesteuert, und sie in einer Reihenfolge phasengesteuert werden.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a und 1b Schaltbilder der Grund-Steuerschaltungen für Gleichstrommotoren, bei denen die Erfindung angewendet

werden kann;
Fig. 2a bis 2h Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der

der Steuerschaltungen der Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm mit den Änderungen der höher harmonischen Komponenten in einem bei der Steuerung gem. Fig. 2a bis

2h fließenden Wechselstrom;
Fig. 4 in einem Diagramm verschiedene Kennlinien in Abhängigkeit

vom Steuerwinkel bei einem bekannten Steuerverfahren; Fig. 5 in einem Diagramm einige Kennlinien in Abhängigkeit vom Steuerwinkel bei einem Steuerverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 ein Schaltbild einer Steuerschaltung für Gleichstrommotoren bei der mehrere der Grundschaltungen der Fig. 1

verwendet sind;
Fig. 7 bei der Steuerung der Steuerschaltung der Fig. 6

nach einem herkömmlichen Steuerverfahren gemessene Kennlinien;
Fig. 8 bei der Steuerung der Schaltung der Fig. 6 nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens erhaltene Kennlinien;

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Pig. 9a bis 9f Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens j und

Fig. 10 in einem Diagramm ein Beispiel von Versuchsergebnissen, die mittels des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens gewonnen wurden.

Im folgenden soll eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens im Vergleich mit einem herkömmlichen Steuerverfahren erläutert werden.

Zunächst soll eine Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor und die Arbeitsweise derselben beschrieben werden, bei der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird.

Fig. 1a zeigt einen phasengesteuerten Gleichrichter POR, der aus jeweils gesteuerte Gleichrichterzweige bildenden Thyristoren Tj, T₂, T-j und T^. besteht. Der Gleichrichter POR ist mit seinen Weehselspannungsklemmen an eine Weehselspannungsquelle S und mit seinen Gleichspannungsklemmen an die Klemmen eines Gleichstrommotors M, der eine Drossel L enthält, angeschlossen. —

Die in Fig. 1b gezeigte Schaltung unterscheidet sich etwas von der der Fig. 1a, arbeitet im Prinzip jedoch ebenso wie diese. Die Schaltung der Fig. 1b verwendet einen Transformator Tr (dessen Primärwicklung nicht gezeigt ist) mit einer Mittelan-

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zapf ung IT in der· Sekundärwicklung.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Schaltung soll nun anhand der Fig. 2 beschrieben werden.

Während einer Periode der Wechselspannung (Fig. 2a) werden an die Thyristoren T₁, T₂, T 3 bzw. T^ die in den Figuren 2b, 2c, 2d und 2e gezeigten Zündsignale angelegt. Mit anderen Worten, " dem Thyristorpaar T₁, T₂ werden an jeder Stelle eines Zündwinkels f₂ ^mi-fc einer Phasendifferenz von 18O° Zündsignale zugeführt, während dem anderen Thyristorpaar T-z, T^ an jeder Stelle ^ Zündwinkels fa
geführt werden.

Zündwinkels fa mit einer Phasendifferenz von 18O° Zündsignale zuBei diesen Zündsignalen hat die Ausgangs-Gleichspannung des phasengesteuerten Gleichrichters POR die in den schraffierten Teilen der Fig. 2g gezeigte Form, während der durch die Wechselspannungsquelle S fließende Strom die Form der in Fig. 2h schraffierten Teile besitzt. Der Scheitelwert des Viechs eis troias ist hier gleich dem Motorstrom I_M, wobei jedoch in der Zeichnung der Wechselstromanteil des Motorstroms vernachlässigt ist. Der Wechselstrom fließt bei der Schaltung der Fig. 1b durch die nicht gezeigte Primärwicklung des Transfprmators Tr.

Die Thyristoren T₁ bis T^ werden bei den Schaltungen der Figuren 1a und 1b auf gleiche W_eise gezündet. Andererseits sind

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die Thyristoren .T^ und T^, die entsprechend der Anordnung der Pig. la gezeigt sind und durch einen der Thyristoren Tj oder T^ ersetzt werden können, in Fig. 1b einfach miteinander parallel geschaltet. In diesem Fall muß ein Zündsignal für den gemeinsam benützten Thyristor aus einer Kombination der Zündsignale bestehen, wie sie gemäß Fig. 2f an die Thyristoren T^ und T^ angelegt werden. Der gemeinsam benutzte Thyristor hat also zwei Funktionen, nämlich die der beiden Thyristoren T-* und T^..

Es sollen nun die höher harmonischen Komponenten des Wechselstroms der Steuerschaltung für einen derartigen Gleichstrommotor betrachtet werden.

Die Ausgangs-Gleichspannung und die Brenndauer ^ des Wechselstroms werden durch Änderung der Steuerwinkel J^ bzw ^₂ geändert. Setzt man den Phasenwinkel des Wechselstroms in der Mitte P der Brennperiode gleich Null, so ergibt sich die dritte Harmonische i-^ durch die Fourier-Reihe

^{4 1}M ³
i = ü . sin — & cos 3 o) t . (1 )

■> 3 2 '*

(A cos 3öt (O * f_¥ « 120°)

°)(120°^ f* i80°

,A cos (3tjt + 18O°) (120°·^ f^*= i80°)

¹M ⁵

worin A = y-f sin _T f.^

I„ = Scheitelwert des Wechselstroms a - Winkelfrequenz der Wechselspannung.

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In Abhängigkeit von der Brenndauer fa hat nach der obigen Gleichung die auf das Maximum bezogene Amplitude ihre Maximalwerte bei 60° und 18O° (Fig. 3).

Die in Fig. 2g gezeigte Ausgangs-Gleichspannung V_dc ergibt sich aus der Gleichung

^Vdc

ti It

* π j"/ ^ ^E ' ^sincJt ' ^dt + / ^ £-sincjtdtf

Normalisiert man die Ausgangsspannung mit dem Maximum

E (E als Maximalwert) der Gleichrichterhauptwerte, so erhält

man 1

^vdc ³ - "TT ^(coS fi ^{+ C0S}

Die Beziehung zwischen den Steuerwinkeln J^ und ^₂ und der Brenndauer y^ des Wechselstroms bestimmt sich aus:

Bei herkömmlichen Verfahren air Steuerung einer Steuerschaltung für Gleichstrommotoren gem. den Figuren 1a und 1b muß ein Steuerwinkel stets auf einem bestimmten festen Wert liegen, während der andere Steuerwinkel durch Züiidsignale geändert wird, wie sie in den Figuren 2b bis 2e gezeigt sind. Bei Erreichen von 18O wird der Steuerwinkel bei 18O° gehalten, während der andere Winkel nun von dem bestimmten Wert bis 18O° gesteuert wird. Dieser bestimmte Wert wird auf den minimalen Steuerwinkel γ . eingestellt, der für normale Kommutierung des Thyristors erforderlich

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ist und üblicherweise zwischen 45° und 60° liegt.

In Pig. 4· sind für den Fall einer solchen Steuerung einige Kennlinien in Abhängigkeit von den Steuerwinkeln /^ und ^₂ dargestellt. Die ausgezogene Kurve a zeigt die dritte Harmonische, die strichpunktierte Kurve b die Ausgangs-Gleichspannung nach der oben beschriebenen Normalisierung. Die gestrichelte Kurve gibt die Brenndauer jfy des Wechselstroms an. In diesem Fall ist der minimale Steuerwinkel γ , auf 6o° und der Steuerwinkel ^₂ auf 6O° eingestellt, während der Winkel J^ zwischen 60 und 18O° geändert wird. Die ausgezogenen Linien zwischen den einzelnen Steuerwinkeln bedeuten also gesteuerte Intervalle, während die gestrichelten Linien feste Werte der Steuerwinkel bedeuten. Dies ist ebenfalls bei sämtlichen folgenden Diagrammen der Fall.

Wie aus den Figuren hervorgeht, wird bei den bekannten SteuerverfaEren auch bei geringen Ausgangs-Gleichspannungen eine starke dritte Harmonische erzeugt. Bei hohen Ausgangs-,Gleichspannungen verursacht die dritte Harmonische keine so großen Schwierigkeiten, sie ist jedoch bei geringer Spannung besonders zu beachten.

Nunmehr soll eine bei der Schaltung der Fig. 1 angewendete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens erläutert werden. Das erfindungs gemäße Steuerverfahreti wird gem. Fig. 5 durchgeführt. Das heißt, während der Änderung eines Steuerwinkele

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^₁ wird ein Steuerwinkel fe ^{bei 6o}° S^enalten· ^Bei Erreichen von !20° wird der Winkel ^₁ weiter bis 18O° gesteuert, wobei gleichzeitig die Steuerung des Winkels y₂ beginnt. In diesem Intervall ist die Brenndauer fa des Wechselstroms durch die Gleichung (3) gegeben. Sie wird, beginnend mit der Steuerung des Steuerwinkels /^,schrittweise von 18O° auf 120° verringert. "

Die Brenndauer jfy wird auf 120° gehalten, während der

Steuerwinkel J^ zwischen 120 und 18O° und der Steuerwinkel

zwischen 60 und 120° geändert wird, wobei die Phasendifferenz zwischen den beiden Winkeln ständig 60° beträgt. Dies ist durch die gestrichelte Kurve c in Pig. 5 gezeigt.

Wie jedoch in Fig. 3 gezeigt ist und sich aus der vorstehenden Erläuterung ergibt, wird die dritte Harmonische gleich Null, wenn die Brenndauer fa 120° beträgt. Das heißt, es wird keine dritte harmonische Komponente erzeugt. Während also die Brenndauer fa auf dem festen Wert von 120° gehalten wird (gestrichelte Linie c in Fig. 5), ist keine dritte Harmonische vorhanden, wie durch die ausgezogene Linie a in Fig. 5 angedeutet. Im gleichen Intervall ist die Abhängigkeit der Ausgangs-Gleichspannung von den S-^euerwinkeln durch die strichpunktierte Kurve b in Fig. 5 gegeben.

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Der Steuerwinkel ft kann, wenn er 18O° und der Winkel ^₂ 120° erreicht, nicht weiter geändert werden. Er wird dann bei 18O° gehalten. Danach erfolgt die Xnderung der Brenndauer ^ nur durch Änderungdes Steuerwinkels ^₂. In diesem Intervall wird die Brenndauer wieder geändert, mit dem Ergebnis, daß gem. der ausgezogenen Kurve a eine dritte Harmonische erzeugt wird.

Die dritte Harmonische kann also, wie oben beschrieben, in dem Intervall auf Hull verringert werden, in dem beide Winkel jfj und fe gleichzeitig gesteuert werden. Wegen der Begrenzung der einzelnen Steuerwinkel wird in den Intervallen am oberen und unteren Ende des gesamten Steuerbereichs eine dritte Harmonische erzeugt. Am unteren Ende ist der minimale Steuerwinkel durch den Kommutierungs-Grenzwinkel des Thyristors begrenzt. Dies ist im vorliegenden Fall unvermeidbar. Bei einer anderen noch zu besehxeibenden Anwendung ergibt sich der gewünschte Effekt jedoch auch in diesem Teil. Am oberen Ende wird eine hohe Ausgangs-Gleichspannung erzeugt, so daß hier keine Schwierigkeiten entstehen.

Der Grund ist, daß im Bereich hoher Ausgangs-Gleichspan-r nungen die Wechselkomponente des Motorstroms groß ist und der Kommutierungs-Überlappungswinkel der Thyristoren größer wird. Daher wird die Wellenform des Wechselstroms nicht rechteckförmig sondern annähernd sinusförmig, so daß die dritte Harmonische in ihrer Größe verringert wird.

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Wie oben beschrieben wurde, ist es erfindungsgaiäß möglich, die Erzeugung der dritten Harmonischen in dem Bereich niedriger Ausgangs-Gleichspannungen zu verhindern, so daß deren Einflüsse im wesentlichen ausgeschaltet werden können. Eine vollkommene Steuerung ist nur in dem Intervall außerhalb der beiden Enden möglich, wo keine dritten Harmonischen erzeugt werden. Daher muß die Ausgangs-Gleichspannung kompensiert werden, die infolge der Begrenzung des Steuerbereiches verringert wird. Dies ist durch Hochtransformieren der Wechselspannung mittels eines Transformators möglich.

Im folgenden soll eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden. Die Steuerschaltung für Gleichstrommotoren der Pig'. 1 kann mit einem Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen versehen Werden, wobei die Wechselspannungsquelle aufgeteilt ist und die phasengesteuerten Gleichrichter jeweils so angeschlossen sind, daß die Stehspannung der Thyristoren verringert und die Erzeugung höherer Harmonischer Komponenten unterdrückt wird, Wobei die Ausgänge der phasengesteuerten Gleichrichter durch sequentielle Steuerung einander überlagert werden. Aus der folgenden Erläuterung wird ersichtlich, daß die Erfindung in einem solchen Falle anwendbar ist.

Die in ^ig. 6 gezeigte Schaltung enthält einen Transformator Tr mit zwei Sekundärwicklungen W₂ j und W₂₂, an die die Wechselspannungsklemmen der phasengesteuerten Gleichrichter POR1 bzw P0H2 angeschlossen sind.

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Die phasengesteuerten Gleichrichter PCR1 und P0R2 bestehen aus Thyristoren T₁₁ bis T₁^₁. bzw. T₂₁ bis T₂₂,., wobei sämtliche Gleichspannungsanschlüsse derselben in Reihe geschaltet sind. An die in Reihe geschalteten Gleichspannungsquellen sind eine Drossel L und ein Gleichstrommotor M, ebenfalls in Reihenschaltung, angeschlossen. Die Schaltung der Pig. 6 wird in der gleichen Weise gesteuert wie die Schaltung der Pig. 1a.

Mit anderen Worten, das Thyristorpaar T₁₁V T₁₂ des phasengesteuerten Gleichrichters POR-1 wird mittels Steurwinkeln ^₁₂ gesteint, die um 18O° phasenverschoben und einander gleich sind. Das andere Thyristorpaar T₁-Z, T₁^ wird durch Steuerwinkel ^₁₁ gesteuert, deren Phasendifferenz 180 beträgt und die einander gleich sind. Das Thyristorpaar T₂₁, T₂₂ des phasengesteuerten Gleichrichters P0R.2 wird durch Steuerwinkel ^₂₂ gesteuert, deren Phasendifferenz 18O°beträgt und die einander gleich sind. Das weitere Thyristorpaar T₂^, T₂^ wird gleichfalls durch Steu-

von . _o

erwinkel /₂₁ mit einer Phasendifferenz/180 gesteuert,- die einander gleich sind.

Auf diese Weise werden die phasengesteuerten Gleichrichter PQR1 und P0R2 einzeln wie in Pig. 1 gesteuert. Andererseits können die beiden Gleichrichter PCR1 und P0R2 in gegenseitiger Beziehung zueinander auf zwei Arten gesteuert werden. Die eine Steuerart besteht in der Steuerung der Steuerwinkel in der Reihenfolge der Iüdices, also ft ₁ —-^₁₂ --/21 ~~Ϊ22.' ^{Die andere} Steuerungs-

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art erfolgt in der Reihenfolge ^₁₁ -""/21 ~~ΐ\2~~ί22.'

Wegen verschiedener Vorteile in der Steuergerätion wird die letztere bevorzugt. Die Erfindung soll daher weiter anhand des letzteren Steuerverfahrens beschrieben werden. Die nähere Erläuterung dieser Vorteile erübrigt sich hier, da sie keine Beziehung zum Gegenstand der Erfindung haben. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung auf beide Steuerverfahren erstreckt.

Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit der dritten Harmonischen und der Ausgangs-Gleichspannung von den Steuerwinkeln bei der herkömmlichen Steuerung. Änderungen in den Kurven sind unter Normalisierung bzw. Beziehung mit ihren jeweiligen Maximalwerten gezeigt. Als dritte Harmonische ist nicht die durch die Sekundärwicklungen W₂₁ bzw. W₂₂ des Transformators Tr fließende ' Größe, sondern die durch die nicht gazeigte Primärwicklung fließende gezeigt, die sich aus der Summe der durch die beiden Sekundärwicklungen fließenden dritten Harmonischen ergibt. Die harmonische Komponente ändert sich daher auf einem Pegel, der zweimal so groß ist wie der bei nur einer Wicklung.

Zunächst erfolgt die Steuerung hur durch den Winkel f ,

während sämtliche anderen Steuerwinkel auf dem Minimalwert Y- .

oder 60° gehalten werden, bis der Winkel £., 18O° erreicht. Wenn die 18O° erreicht sind, wird Λ. konstant gehalten, während der

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nächste Steuerwi'nkel /^i gesteuert bzw. geändert wird. Danach geht die Steuerung in gleicher Weise weiter. Sie ist beendet, wenn der letzte Steuerwinkel f₂2 ¹^°° ^{βΓΓβ1οηΐ}

Bei dieser Steuerungsart ändert sich die Ausgangs-Gleich spannung gemäß der strichpunktierten Kurve b und die dritte har monische Komponente gem. der ausgezogenen Kurve a in Fig. 7·

Nunmehr soll die Steuerung der Schaltung der Fig. 6 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren anhand Fig. 8 erläutert werden.

Zunächst beginnt die Steuerung wie bei dem herkömmlichen Verfahren mit einem Steuerwinkel ^₁ von 60°. Bei Erreichen von 120° wird der Winkel f_t1 bei 120° konstant gehalten und die nächste Steuerung mit dem Winkel J^ beginnt.

Wie Fig. 8 zeigt, wird wie beim herkömmlichen Verfahren während der Steuerungdes Steuerwinkels J^₁ in diesem Intervall eine dritte harmonische Komponente erzeugt. Dies liegt daran, daß nur der Winkel f.^ verändert wird, während sämtliche anderen Winkel wie beim herkömmlichen Verfahren auf 60° konstant gehalten werden. Während des Steuerintervalls mit dem Steuerwinkel f^\ bei auf 120° konstant gehaltenem Steuerwinkel j\ -, wird der Brennwinkel bzw. die Brenndauer fa des durch die erste Sekundär

wicklung Wg. fließenden Stroms gleich 120°, wie sich aus der Gleichung (3) ergibt, wobei der Wechselstrom keine dritte Harmonische enthält.

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Dementsprechend besteht die dritte Harmonische in dem durch die Primärwicklung in dieser Periode fließenden Wechselstrom lediglich aus der im durch die Sekundärwicklung W₂₂ fließenden Wechselstrom enthaltenden dritten Harmonischen, deren Wert gerade halb so groß ist wie beim herkömmlichen Verfahren.

Hach Erreichen von t20° wird der Winkel f^\ ^{tei 120}° S^e~

halten, während gleichzeitig die Steuerung mit dem auf 120° ge- | haltenen Winkel ft j und dem bei 60° gehaltenen Winkel ^₂ beginnt .

In diesem Intervall wird die Brenndauer fa des durch die

Sekundärwicklung W₂₂ fließenden Stroms 120°, währand die Winkel f2\ und #22 bei 120° bzw. 60° gehalten werden. Dabei enthält der Strom keine dritte Harmonische. Andererseits nimmt die Brenndauer des durch die Sekundärwicklung Vi₂₁ fließenden Wechselstroms

den Wert 120° an, wobei gleichzeitig die Phasendifferenz zwischen den Winkeln ^j₁ und ^₂ stets 60° beträgt. Somit enthält der durch die Primärwicklung des Transformators ¹Sc j fließende Strom, der die Summe der beiden Wechselströme darstellt, keine dritte Harmonische.

Wenn die Steuerwinkel ^j₁ und ^₁₂ 180° bzw. 120° erreichen, so werden sie auf diesen Werten konstant gehalten. Gleichzeitig beginnt die Änderung der Winkel ^₂₁ und ^₂₂, die in der vorhergehenden Periode auf 120° bzw. 60° gehalten wurden. Auch in diesem

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Intervall wird keine'dritte Harmonische erzeugt.

Erreichen die Winkel f₂\ ^und Ϊ2.2 ¹⁸°° ^bzw* ¹²⁰°» ^so werden sie auf diesen Werten konstant gehalten. Darauf wird der in der vorhergehenden Periode auf 120° konstant gehaltene Winkel /^₁₂ bis zu 18O° und der Winkel f₂₂ von 120° auf 18O° geändert. In diesem Intervall steigt der Anteil der dritten Harmonischen gerade entgegengesätzt zum ersten Steuerintervall, von Null bis zum Maximum an, wenn die Steuerwinkel 18O° erreichen.

Das Ergebnis der oben beschriebenen Steuerung ist in Fig. 8 dargestellt, wo die ausgezogene Kurve a die. Änderungen der dritten Harmonischen und die strichpunktierte Kurve b die Änderungen der Ausgangs-Gleichspannung wiedergibt.

Ein Vergleich der Figuren 7 und 8 zeigt, daß auch am unteren Ende des Steuerberelches eine hinreichende Wirkung erzielt wird.

Die obige Beschreibung gilt für Steuerschaltungen für Gleichstrommotoren unter bestimmten Bedingungen, d. h. Pulsationen des Motorstroms und der Blindwiderstand des Wechselstromkreises sind vernachlässigt. Genauer, es wurde angenommen, daß der zur Ermittlung der dritten Harmonischen durch die Fourier-Reihe gemäß Gleichung (1) dargestellte Wechselstrom eine Recht-

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eckwelle gem. Pig. 2h ist.

Praktisch können die Pulsationen des Motorstroms nicht auf Null verringert werden, da der Blindwiderstand der Drossel L im Gleichstromkreis nicht unendlich groß ist. Ferner kann der Blindwiderstand des Wechselstromkreises nicht vernachlässigt werden. Durch diese Faktoren ergibt sich eine Änderung im tjberlappungswinkel des Wechselstroms, so daß die Wellenform nicht genau rechteckförmig ist. So kann nicht generell gesagt werden, daß es am günstigsten ist, die Brenndauer ]fe des Wechselstroms bei 120° zu halten.

In Fig. 10 sind Beispiele von Versuchsergebnissen dargestellt. Bei diesen Versuchen wurde unter Verwendung eines Transformators mit zwei Sekundärwicklungen wie bei der Schaltung der Fig. 6 eine zweistufige Steuerung durchgeführt. Die genauen Schaltungskonstanten erübrigen sich hier, es sei jedoch erwähnt, daß die Spannung der Wechselstromquelle 20 kV, die Ausgangsspannung an einer Sekundärwicklung 6t4 V und der Ausgangs-Gleichstrom 2 000 A betrug. .

■ Die Ergebnisse zeigen die durch die Primärwicklung des Transformators fließenden dritten harmonischen Ströme, wenn die Ausgangs-Gleichspannung bei Brenndauern p^ des Wechselstroms von 110°, 1-20° und 130° geändert wird.

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Wie aus Pig* 10 hervorgeht, wird die dritte Harmonische des Stroms bei einer Brenndauer von 130° am stärksten verringert. In den obigen Erläuterungen wurde angenommen, daß die Steuerwinkel ^₁ und f2 ^{für die} Thyristoren T₁, T^ und T₂* T^, die in den Halbwellen der Wechselspannungsquelle S der Schaltung der Fig. 1a gezündet werden, unterschiedlieh sind (s. Pig. 2b bis 2e).

Bekanntermaßen kann bei der Schaltung der Fig. 1a gesteuert werden, wenn die Steuerwinkel ^₁ = ^₂ ^ε1·^η<*· ^Das neißt, die Thyristoren T₁ und Tj werden gleichzeitig gezündet, die Thyristoren T₂ und T4. um 18O° verzögert» Diese Steuerungsart wird allgemein als symmetrische Steuerung bezeichnet (im Gegensatz zu der davor beschriebenen Steuerung, die als asymmetrische Steuerung bezeichnet wird). Hierbei wird die Brenndauer des Viechseistroms stets auf 180° gehalten.

Demzufolge werden die Thyristoren T-j und T^ bei symmetrischer Steuerung der Schaltung nicht benötigt. In diesem Pail werden nur die Thyristoren T₁ und T₂ mit den gewünschten Steuerwinkeln gesteuert, deren Phasendifferenz 18O° beträgt.

Die in Fig. 9 gezeigten Kurven dienen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei symmetrischer Steuerung. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch bei symmetrischer Steuerung nicht generell angewendet werden, sondern ist hierbei auf einige Fälle begrenzt. Mit anderen Worten, die Anwendung ist auf eine

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Steuerung mehrerer, geradzahliger Stufen beschränkt, wie eine in Fig. 6 gezeigt ist. Dies ergibt sich aus den folgenden Erläuterungen anhand der Fig. 9·

Den phasengesteuerten Gleichrichtern PCRl und P0R2 der Schaltung der Fig. 6 werden die in den Figuren 9b und 9c gezeigten Zündsignale zugeführt. Dabei fließen durch die daran angeschlossenen Sekundärwicklungen W₂₁ und W₂₂ die in den Figuren 9d und 9e gezeigten Wechselströme. Somit kann nicht an jeder Stufe die dritte Harmonische auf Null verringert werden. Es ist jedoch möglich, die Brenndauer J^ des Wechselsbroms im Transformator Tr, der eine Summe der in den beiden Sekundärwicklungen Wgj und Wg₂ fließenden Ströme bildet, auf einem bestimmten Wert zu halten, bei dem keine dritte Harmonische enthalten ist. Dies geschieht durch entsprechende Steuerung der S^euerwinlcel ^₁ und f₂ für die phasengesteuerten Gleichrichter P0R1 und P0R2 gem. Fig. 9f.

Bei mehr Stufen gerader Anzahl können durch die beschriebene Steuerung die keine dritte harmonische Komponente enthaltenden Wechselströme einander überlagert werden, so daß insgesamt ein Wechselstrom ohne dritte Harmonische erzeugt wird.

Wie im einzelnen erläutert wurde, wird erfindungsgemäß die Brenndauer des phasengesteuerten Wechselstroms so gesteuert, daß sie auf einem bestimmten Wert gehalten'wird. Hierdurch kann die im Wechselstrom enthaltene dritte harmonische Komponente sehr stark verringert und ihre unerwünschten Auswirkungen können im wesentlichen vermieden werden.

10 9842/1614 Ansprüche

Claims

"·· ■ ANSPRÜCHE

/) Verfahren zur Steuerung von Gleichstrommotoren, dadurch gekennzeichnet , daß bei einem mit den Gleichstromklemmen an den Gleichstrommotor und mit den Wechselstromklemmen an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen phasengesteuerten Gleichrichter die Brenndauer in jedem Halbzyklus des durch die Wechselstromklemmen fließenden Viechseistroms auf einem bestimmten Wert gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Schaltung mit einem Transformator mit einer an die Wechselspannungsquelle angeschlossenen Primärwicklung und mehreren Sekundärwicklungen, die je mit einem von mehreren phasengesteuerten Gleichrichtern verbunden sind, wobei sämtliche Gleichstromklemmen in Reihe mit dem Gleichstrommotor geschaltet sind, die Brenndauern in jedem Halbzyklus des durch die jeweiligen Sekundärwicklungen fließenden Wechselstroms auf einem bestimmten Viert gehalten werden, und daß die Steuerung bei mehreren der phasengesteuerten Gleichrichtern nacheinander erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Sekundärwicklungen des Transformators geradzahlig ist, daß bei der Phasensteuerung die Brenndauer in jedem Halbzyklus des durch die Primärwicklung fließendes

den Stroms mittels durch ein Paar der Sekundärwicklungen jeder

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geraden Zahl fließenden Stroms auf einen bestimmten Wert gehalten wird, und daß die Steuerung der phasengesteuerten Gleichrichter jeder geraden Zahl nacheinander erfolgt.

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