DE2112580C3

DE2112580C3 - Aus einer Wechselspannungsquelle gespeiste Stromrichterschaltung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2112580C3
Application number: DE2112580A
Authority: DE
Inventors: Kyozo Katsuta Tachibana
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-03-16
Filing date: 1971-03-16
Publication date: 1982-01-14
Also published as: DE2112580B2; FR2084613A5; JPS5034206B1; DE2112580A1; SE370598B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus einer Wechselspannungsquelle gespeiste Stromrichterschaltung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung.

Es sind verschiedene Arten von Einrichtungen zur Speisung von Gleichstrommotoren aus Wechselspannungsquellen mit phasengesteuerten Einrichtungen wie Thyristoren oder zur Wiedergewinnung der in Gleichstrommotoren erzeugten Leistung in Wechselspannungsquellen bekannt. Der Wechselstrom enthält bei solchen Einrichtungen eine Anzahl höherharmonischer Komponenten. Von diesen Komponenten ist die dritte Harmonische die stärkste, was bei Fahrzeugantrieben für Eisenbahnen zu Fehlfunktionen von in Unterstationcn vorgesehenen Distanzrelais oder Fehlerortsmessern führen kann, wenn die Wechselspannung 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 Netzfrequen?: 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 erhöht.
Aus der Zeitschrift ETZ-A, 1954, Seiten 789 und 790, ist eine Schaltung der eingangs bezeichneten Gattung bekannt, bei der der Zündverzögerungswinkel der steuerbaren Ventile auf einen festen Wert von 60° eingestellt wird, um die dritten Harmonischen zu minimieren. Die Motor-Drehzahlsteuerung erfolgt dabei also nicht durch Steuerung der Ventile, sondern durch einen zusätzlich vorgesehenen Stelltransformator.

Aus der DE-AS 12 16 416 ist andererseits eine Schaltung zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors durch Änderung der Phasenanschnittwinkel von in einer Gleichrichterschaltung angeordneten Ventilen bekannt, bei der auch eine gewisse Verringerung bestimmter Oberwellen, so auch der dritten Harmonischen, möglich ist

'5 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltung der eingangs bezeichneten Gattung derart auszugestalten, daß sie eine Motor-Drehzahlsteuerung durch Änderung der Zündwinkel gestattet und gleichzeitig eine möglichst weitgehende Unterdrückung der dritten Harmonischen gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Patentanspruchs angegeben. Bei einer danach aufgebauten Schaltung wird aus den im folgenden noch zu erläuterten Gründen der Anteil der dritten Oberwelle an d»r Motor-Speisespannung theoretisch gleich Null. Auch in der Praxis wird die dritte Harmonische gegenüber den bekannten Schaltungen so stark abgesenkt, daß sie vernachlässigbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Grund-Steuerschaltung für einen Gleichstrommotor,

F i g. 2a bis 2h Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Steuerschaltung nach F i g. 1,
Fig.3 ein Diagramm mit den Änderungen der höherharmonischen Komponenten in einem bei einer Steuerung gemäß F i g. 2a bis 2h fließenden Wechselstrom,

F i g. 4 ein Diagramm mit verschiedenen Kennlinien in Abhängigkeit vom Steuerwinkel bei einer bekannten Steueiungsart, wie sie ähnlich auch in der Schaltung nach der DE-AS 12 16 416 angewendet wird, und

Fig S ein Diagramm mit Kennlinien in Abhängigkeit vom Steuerwinkel bei der erfindungsgemäßen Steuerung.

Fig. 1 zeigt einen phasengesteuerten Gleichrichter, der aus jeweils gesteuerte Gleichrichterzweige bildenden Thyristoren Γι, T₂, T₁ und Γ₄ besteht. Als Wechselspannungsquelle dient ein Transformator Tr (dessen Primärwicklung nicht gezeigt ist) mit einer Mittelanzapfung Λ/in der Sekundärwicklung. Gleichstromseitig ist der Gleichrichter an die Klemmen eines Gleichstrom-Reihenschlußmotors M, der eine Drossel L enthält, angeschlossen.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. I soll nun anhand von F i g. 2 beschrieben werden.

Während einer Periode der Wechselspannung

(Fig. 2a) werden an die Thyristoren Ti, T₂, T₃ bzw. Γ₄ die in den Fig. 2b, 2c, 2d und 2e gezeigten Zündsignale

angelegt. Mit anderen Worten, dem Thyristorpaar Γι, T₂ werden an jeder Stelle eines Zündwinkels γ₂ mit einer

Phasendifferenz von 180° Zündsignale zugeführt, während dem anderen Thyristorpaar Tj, T₄ an jeder

Stelle jedes Zündwinkels yi mit einer Phasendifferenz

'"■ von 180° Zündsignale zugeführt werden.

Bei diesen Zündsignalen hat die Ausgangs-Gleichspannung des phasengesteuerten Gleichrichters die in den schraffierten Teilen der F i g. 2g gezeigte Form,

während der durch die Wechselspannungsquelle 5 fließende Strom die Form der in Fig.2h schraffierten Teile besitzt Der Scheitelwert des Wechselstroms Ist hier gleich dem Motorstrum, wobei jedoch in Fig.2h der Wechselstromanteil des Motorstroms vernachlässigt ist Ein entsprechender Wechselstrom fließt bei der ₍ Schaltung der Fig. Ib durch die nicht gezeigte Primärwicklung des Transformators Tr.

Die beiden Thyristoren T3 und T>. die gemäß F i g. 1 parallel geschaltet sind, können auch durch einen einzigen Thyristor ersetzt werden. In diesem Fall muß das Zündsignal für einen solchen gemeinsamen benützten Thyristor aus einer Kombination der Zündsignale bestehen, wie sie gemäß Fig.2f an die Thyristoren T3 und Tt angelegt werden. Der gemeinsam benutzte Thyristor hat also zwei Funktionen, nämlich die der beiden Thyristoren ^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 )'w des Wechselstroms werden durch Änderung der Steuerwinkel γ, bzw. γ₂ geändert. Setzt man den Phasenwinkel des Wechselstroms in der Mitte P der Brennperiode gleich NuIi, so ergibt sich die dritte Harmonische /jdurch die Fourier-Reihe

'3 =

4/.

sin -=- »cos 3

(1)

worin

A =

cos 3 «>f ... (0< y_{w =} 120°)

cos(3<m + 180°) ... (120° < _7w £ 180°),

41 u 3

—-=■ ■ sin — _Vw in 2

I_M = Scheitdwert des Wechselstroms u, = Winkelfrequenz der Wechselspannung.

In Abhängigkeit .on der Brenndauery^hat nach der obigen Gleichung die auf das Maximum bezogene Amplitude ihren Maximalwert bei 60° und 180° (F i g. 3).

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

, ί

_dc = -i- \ - I f

V_dc =

l E ■ sin ,.,t · di + \\2 E · sin tut -dl

Normalisiert man die Ausgangsspannung mit dem Maximum

21/2 „

(E als Maximalwert) der Gleichrichterhauptweite, so erhält man

= - -γ (^cos η + ^cos n) ■

(2)

Die Beziehung zwischen den Steuerwinkeln γ\ und γ₂ und der Brenndauer yw des Wechselstroms bestimmt sich aus:

Yw = (180°-- _Yl) + _Yl.

Bei herkömmlichen Verfahren zur Steuerung einer Steuerschaltung für Gleichstrommotoren gemäß F i g. 1 muß ein Steuerwinkel ssets auf einem bestimmten festen Wert liegen, während der andere Steuerwinkel durch Zündsignale geändert wird, wie sie in den Fig.2b bis 2e gezeigt sind. Bei Erreichen von 180° wird der Steuerwinkel bei 180° gehalten, während der andere Winkel nun von dem bestimmten Wert bis 180° gesteuert wird. Dieser bestimmte Wert wird auf den minimalen Steuerwinkel y_m„ eingestellt der für normale Kommutierung des Thyristors erforderlich ist und üblicherweise zwischen 45° und 60° liegt

In F i g. 4 sind für den Fall einer solchen Steuerung einige Kennlinien in Abhängigkeit von den Steuerwinkein yi und yi dargestellt. Die ausgezogene Kurve a zeigt die dritte Harmonische, die strichpunktierte Kurve b die Ausgangs-Gleichspannung nach der oben beschriebenen Normalisierung. Die gestrichelte Kurve c gibt die Brenndauer^wdes Wechselstroms an. In diesem Fall ist der minimale Steuerwinkel y_mi„ auf 60° und der Steuerwinkel j··.·» auf 60° eingestellt während der Winkel γ, zwischen 60 und 180° 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 Stellerverfahren auch bei geringsten 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 der erfindungsgemäßen Steuerung erläutert werden. Die erfindungsgemäße Steuerung wird gemäß F i g. 5 durchgeführt. Das heißt, während der Änderung eines Steutrwinkels )'i wird ein Steuerwinkel )>2 bei 60° gehalten. Bei Erreichen von 120° wird der Winkel γ\ weiter bis 180° gesteuert, wobei gleichzeitig die Steuerung des Winkels )'2 beginnt. In diesem Intervall ist die Brenndauer ywdes Wechselstroms durch die Gleichung (3) gegeben. Sie wird, beginnend mit der Steuerung des Steuerwinkels )>2. schrittweise von 180° auf 120° verringer¹..

Die Brenndauer yw wird auf 120° gehalten, während der Steuerwinkel }>i zwischen 120 und 180° und der Steuerwinkel y₂ zwischen 60 und 120° geändert wird, wobei die Phasendifferenz zwischen den beiden Winkeln ständig 60° beträgt Dies ist durch die gestrichelte Kurve ein Fi g. 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 yw 120° beträgt. Das heißt, es wird keine dritte harmonische Komponente erzeugt. Während also die Brenndauer yw auf dem festen Wert von 120° gehalten wird (gestrichelte Linie c in. F ig. 5). ist keine dritte

(>o Harmonische vorhanden, wie durch die ausgezogene Linie a in F i g. 5 angedeutet. Im gleichen Intervall ist die Abhängigkeit der Ausgangs-Gleichspannung von den Steuerwinkeln durch die strichpunktierte Kurve b in FI g. 5 gegeben.

fr5 Der Steuerwinkel γ, kann, wenn er 180° und der Winkel γ₂ 120° erreicht, nicht weiter geändert werden. Er wird dann bei 180° gehalten. Danach erfolgt die Änderung der Brenndauer y_w nur durch Änderune des

.Steuerwinkels γ₂. 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 lern Intervall auf Null verringert werden, in dem cide Winkel γι und γ: 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 um c ι meidbar. Bei einer anderen noch zu beschreibenden 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-Gieichspannungen die Wcchselstromkomponcnte des Motorstroms groß ist und der Kommutierungs-Überlappungswinkcl der Thyristoren größer wird. Daher wird die Wellenform des Wechselstroms nicht rechteck^s förmig. sondern annähernd sinusförmig, so daß die dritte Harmonische in ihrer Größe verringert wird.

Wie oben beschrieben wurde, ist es erfindungsgemaß möglich, die Erzeugung der dritten Harmonischen in dem Bereich niedriger Ausgangs Gleichspannungen /u

ίο 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 drillen Harmonischen erzeugt werden. Daher muß die AusgangsCjleichspanniing

is kompensiert werden, die infolge der Begrenzung des Steuerbereiches verringert wird. Dies ist durch Hochtransformieren der Wechselspannung mittels eines Transformators möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Aus einer Wechselspannungsquelle· gespeiste Stromrichterschahung in zwcipulsiger Transformator-Mittelpunktschaltung mit steuerbaren Ventilen zur Drehzahlsteuerung eines Gleichstrommotors, dem eine Drossel in Reihe geschaltet ist, wobei die mit den Außenanschlüssen des Transformators verbundenen steuerbaren Ventile zur Vermeidung von dritten Oberwellen derart angesteuert sind, daß sie für jeweils 120° elektrisch stromführend sind, und wobei der Mittelpunkt des Transformators über wenigstens ein Ventil mit dem gemeinsamen Anschluß der beiden steuerbaren Ventile verbunden ist und daß das Ventil in bezug auf den gemeinsamen Anschluß gleichsinnig zu den beiden steuerbaren Ventilen gepolt ist, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ventile Thyristoren (Tu T₂, T₃, T₄) sind und daß der wenigstens eine mit dem Mittelpunkt des Transformators verbundene Thyristor (T3, TV derart gesteuert ist, daß sein Zündzeitpunkt (χι) jeweils 120° elektrisch nach dem Zündzeitpunkt (γ₂) jedes der beiden mit den Außenarischlüssen des Transformators verbundenen Thyristoren (Tu T₂) liegt.