DE2234548A1 - Elektronische schaltung zur erregung asynchron anlaufender, schleifringloser synchronmotoren - Google Patents

Description

86/72
Me/Ca.

Aktiengesellschaft Brown» Boveri & Cie., Baden (Schweiz)'

Elektronische Schaltung zur Erregung asynchron anlaufender, schleifringloser Synchronmotoren

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Erregung asynchron anlaufender, schleifringloser Synchronmotoren, bei welcher die rotierende Wicklung des auf der Welle des
Synchronmotor angebrachten Ankers einer Wechselstrom-Erregsrmaschine über eine mitlaufende Gleichrichter-Brückenschaltung an die rotierende, mindestens einen Parallelwiderstand aufweisende Feldwicklung des Synchronmotors, angeschlossen ist und bei welcher gesteuerte Stromrichterventile zur zeitweiligen Trennung der Gleichrichter-Brückenschaltung von der Feldwicklung in asynchronem Zustand vorgesehen sind.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung, die diese Merkmale aufweist, ist die mitlaufende Gleichrichter-Brück'enschaltung als"halbgesteuerte Brücke"ausgeführt, mit Thyristoren in der einen und ungesteuerten Dioden in der andern Brückenhälfte.

"309882/0961

Zur Steuerung der Thyristoren ist eine Steuereinrichtung vorgesehen j welche ebenfalls von der Ankerwicklung der Erregermaschine gespeist wird und aus einer zweiten, nur ungesteuerte Dioden aufweisenden Gleichrichter-Brückenschaltung besteht. Die Speisung der Steuereinrichtung von der Ankerwicklung erfolgt über einen Isoliertransformator. Hier bleibt der zur Feldwicklung parallele Anlaufwiderstand auch im normalen Synchronbetrieb immer angeschlossen und verursacht somit erhöhte Erregungsverluste. Beim Asynchronanlauf bleiben die Thyristoren gesperrt, so dass der ganze Anlaufstrom im Feldkreis in beiden Richtungen über diesen Widerstand fliesst.

Bei einer anderen bekannten Anordnung ist die Gleichrichter-Brückenschaltung mit ungesteuerten Dioden ausgeführt. Im normalen Synchronbetrieb fliesst der von der Diodenbrücke her kommende Strom über einen dann gezündeten Hauptthyristor. Zwei gleichsinnig hintereinandergeschaltete, im Normalbetrieb nicht gezündete Hilfsthyristoren liegen antiparallel zur Diodenbrücke. Beim asynchronen Anlauf werden diese Hilfsthyristoren jedoch leitend, so dass der Polradstrom in der einen Richtung über die Diodenbrücke und in der entgegengesetzten Richtung über die Hilfsthyristoren fliessen kann. Der Hauptthyristor kann hingegen beim .Asynchronanlauf ohne Erregung nicht zünden, und dadurch wird ein dazu paralleler Anlaufwider-

309882/0961

stand während des Anlaufs im Feldkreis wirksam. Alle drei Thyristoren sind Leistungsthyristoren.

Ebenfalls drei Leistungsthyristoren enthält eine dritte bekannte Schaltung mit'einer ungesteuerten Diodenbrücke, davon einen Hauptthyristor für Nennerregerstrom von der Diodenbrücke zur Feldwicklung und zwei in Reihe mit einem- Widerstand liegende, antiparallele Hilfsthyristoren in einem Parallelzweig zur Feldwicklung. Alle drei Leistungsthyristoren werden durch ein mitrotierendes Steuergerät gesteuert.

Die oben erwähnten Schaltungen haben' gewisse Nachteile, von denen bei der zuletzt genannten Anordnung nur auf das komplizierte Steuergerät hingewiesen sei. Ausserdem sind bei dieser ebenso wie-bei.der zweiten Schaltung drei Leistungsthyristoren erforderlich, schliesslich ist bei beiden Schaltungen ein von der Rotorlage bzw. von der Rotorpolarität abhängiges Einschalten der Erregung notwendig, d.h. es muss eine spezielle Ueberwachung des Polradstromes vorgesehen sein. Bei der an zweiter Stelle beschriebenen Schaltung fliesst überdies beim Hauptthyristor im Nennbetrieb ein relativ grosser Dauer-Gitterstrom. Die zu Anfang genannte Anordnung erlaubt zwar grossere Leistungen als die beiden anderen und ermöglicht ein von der Rotorlage unabhängiges Einschalten der Erregung, bedarf aber andererseits einer aus einer Dioden-Gleichrichterbrücke bestehenden Steuereinrichtung und eines ziemlich aufwendigen Isoliertransformators .

3 0 9 ο ρ - / ;i

^86/γ2

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei .einer elektronischen Erregungsschaltung der eingangs beschriebenen Art auf der negativen Seite der Gleichrichter-Brückenscha.ltung und in deren Gleichstromkreis die bezüglich der Gleichrichter in Durchlassrichtung gepolte Anoden-Kathoden-Strecke mindestens eines Thyristors liegt, der einpolig mit der einen Klemme des Parallelwiderstandes verbunden ist, dass die andere, mit dem nicht thyristorseitigen Pol der Gleichrichterbrücke verbundene Klemme des Parallelwiderstandes über die Serienschaltung zweier Widerstände auf die Steuerelektrode des besagten, mindestens einmal vorgesehenen Thyristors geschaltet ist, und dass der Zusammenschaltungspunkt der beiden Serienwiderstände über eine in Durchlassrichtung gepolte Diode mit der Anode des mindestens einmal vorgesehenen Thyristors verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit ungesteuerter Diodenbrücke,

Fig. 2 eine Weiterbildung mit selbstschaltender Thyristor-Diodenbrücke.

Bei der Schaltung gemäss Fig. 1 ist die als normale Diodenbrücke ausgeführte Gleichrichterbrücke 1 mit einem Thyristor

3 0 · ^c

in Serie geschaltet. 3 ist der an sich bekannte, zur Feldwicklung 4 parallele Widerstand, 5 die dreiphasige Ankerwicklung der Erregermaschine. Vom positiven Pol J der Diodenbrücke 1 besteht eine Verbindung über die Serienwiderstände 6 und 7 sowie^ die in Durchlassrichtung gepolte Diode 9 zur Steuerelektrode (dem Gitter) des Thyristors 2.

Im normalen Synchronbetrieb, bei dem das Potential des Brückenpols J höher, ist als das von K, fliesst ein Gitterstrom über die Zündwiderstände 6 und 7, so dass der Thyristor 2 zündet und leitend wird. 6 und 7 sind gegenüber dem Anlaufwiderstand 3 sehr gross. Nach demselben Prinzip, d.h. über einen Zündwiderstand, wird auch der Hauptthyristor bei der einleitend an zweiter Stelle besprochenen, bekannten Schaltung gezündet. Nach dem Zünden bleibt aber dort der Gitterstrom bestehen und verursacht Verluste, die mit steigender Erregerspannung schnell den zulässigen Wert erreichen. Denkt man sich in Fig. 1 die Diode 8 weg und vergrössert man den Zündwiderstand 6 + 7, so dass der Gitterstrom bei Nennerregung kleiner wird, so besteht die Gefahr, dass der Thyristor bei kleinen Erregerspannungen überhaupt nicht mehr zündet. Erfindungsgemäss ist nun der Zusammenschaltungspunkt der Zündwiderstände 6 und über die besagte,, in Durchlassrichtung gepolte Diode 8 mit der Anode des Thyristors 2 verbunden. Bei nichtleitendem Thyristor

3 0 9 8 8 2/0961

86/72

ist 7 dann voll wirksam. Sobald der Thyristor zündet und leitend wird, schliesst die Diode 8 diesen Widerstand 7 jedoch praktisch kurz. Dadurch reduziert sich der Gitterstrom auf ein Minimum, entsprechend dem ungefähr konstanten Spannungsabfall an dieser Diode. Dieser sehr kleine Dauergitterstrom ändert sich deshalb nicht stark, wenn man die Erregerspannung erhöht.

Beim Asynchronanlauf fliesst der Feldstrom während der negativen Halbwelle (Potential von J grosser als von A) über¹ den Anlaufwiderstand 3, weil die Diodenbrücke sperrt. Während der positiven Halbwelle (Potential von A grosser als von J) bleibt der Thyristor 2 gesperrt, da er überhaupt keinen Gitterstrom bekommt. Somit fliesst der in der Feldwicklung ¹I induzierte Strom immer über den Widerstand 3. Sobald der Motor erregt V7ird (d.h. Potenial von J grosser als von K), wird der Thyristor leitend, und der Motor synchronisiert sich. Die Erregung baut sich automatisch nur während der positiven Halbwelle auf, auch wenn sie während der negativen Halbwelle eingeschaltet wird. Die Einschaltung der Erregung kann deshalb zu einem beliebigen Zeitpunkt und bei beliebigem Schlupf erfolgen, man benötigt kein Relais, um die positive Halbwelle zu erfassen, wie dies bei den einleitend an zweiter und dritter Stelle besprochenen Lösungen der Fall ist. Die vorgeschlagene Schaltung gemäss Fig. 1 weist demnach in ihrem Verhalten gegenüber

309882/0961

konventionellen Synchronmotoren keinen Unterschied auf, benötigt aber demgegenüber keine Schleifringe bzw. Bürsten.

Die Anordnung gemäss Fig. 1 hat gegenüber der zweiten und dritten der einleitend beschriebenen, bekannten Schaltungen überdies den Vorteil eines relativ einfachen Aufbaus mit nur einem Leistungsthyristor (während bei den.besagten Schaltungen für ein und dieselbe Motorleistung zusätzlich zwei Thyristoren benötigt werden).

Die zweite Diode 9 im Gitterkreis ist für das richtige Funktionieren der Schaltung nicht von primärer Bedeutung. Sie ist jedoch in der Praxis empfehlenswert, um die'manchmal .bei grossen Schlupfwerten auftretenden, unerwünschten negativen Gitterströme (Anode-Gitter) bei leitendem Thyristor zu vermeiden.

Ein gewisser Nachteil der in Fig. 1 gezeigten Schaltung liegt darin, dass - ebenso wie bei den einleitend an zweiter und dritter Stelle besprochenen Anordnungen - die Anwendbarkeit von der Leistung des Thyristors abhängt. Man kann sich aber auch an grössere Motorleistungen anpassen, wenn man gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung mehrere - z.B. drei Thyristoren mit ihren Anoden-Kathoden-Strecken parallel schaltet und gemeinsam steuert. Die erste Diode 8 ist dabei nur einmal

vorgesehen und liegt zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 6, 7 und den zusammengeschalteten Anoden der Parallel-Thyristoren. Bei Verwendung von Dioden 9 zwischen Zündwiderstand 7 und Gitter ist für jeden der Parallel-Thyristoren eine separate Diode 9 vorzusehen.

In Weiterbildung der Erfindung kann man ferner die Thyristoren 2 geissermassen in die Gleichrichterbrücke 1 "integrieren", d.h. einen Teil der ungesteuerten Dioden - insbesondere die Dioden der negativen Brückenhälfte - durch diese Thyristoren ersetzen. Die so entstandene Schaltungsanordnung mit "selbstschaltender Thyristor-Diodenbrücke" ist in Fig. 2 dargestellt. Wiederum wird hier nur eine einzige, für alle drei Thyristoren gemeinsame Diode 8 zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände und dem negativen Brückenpol benötigt, der dem Zusammenschaltungspunkt der drei Thyristor-Anoden entspricht. Die andere Klemme des zweiten Zündwiderstandes ist hier vorzugsweise über separate kleine Dioden von der Art der Diode 9 in Fig. 1 mit der Steuerelektrode jedes Thyristors 2 verbunden. Damit können die Thyristoren während der Sperrperiode ungestört ihre volle Sperrspannung aufweisen.'Bei sehr niedrigen Wechselspannungen der Erregermaschine ist es jedoch auch hier möglich, auf diese Dioden zu verzichten.

Zur Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 wird bemerkt: sobald die Synchronmaschine erregt wird, zündet als erster

309882/096 1

derjenige Thyristor 2, dessen Kathode das niedrigste negative Potential hat, weil das.Gitterpotential bei allen Thyristoren bereits positiv ist. Nach dem Zünden des ersten Thyristors wird der gemeinsame Gitterkreis durch die Diode 8 auf ein Potential gebracht, welches infolge des praktisch konstanten Spannungsabfalls der Diode 8 ca. 1 Volt höher liegt als das gemeinsame Anodenpotential. Abgesehen von di~eser 1 V-Differenz- haben die Gitter und die Anoden also dasselbe Potential., Wird das Kathodenpötential V„ eines noch nicht leitenden Thyristors 2 kleiner als das gemeinsame Anodenpotential V., so wird dieser Thyristor automatisch zünden. Im normalen Synchronbetrieb mit Erregung sind die Thyristoren in dieser Schaltung selbstzündend, d.h. sie verhalten sich wie Dioden. Die Brücke unterscheidet sich somit nicht von der normalen Diodenbrücke.

Beim Asynchronanlauf wird der im Polrad induzierte Feldstrom während der negativen Halbwelle von den Thyristoren gesperrt, er fliesst über den Widerstand 3. Während der positiven Halbwelle können die Thyristoren bis zum Einleiten der Synchronisation, d.h. der Erregung, ebenfalls nicht zünden, da die Diode 8 während dieser Halbwelle gesperrt ist, also einen auch gegenüber den Zündwiderständen 6, 7 sehr hohen Widerstand aufweist. Das Gitterpotential entspricht also im wesentlichen dem in diesem Zeitpunkt negativen Potential der mit den Kathoden der angesteuerten Dioden 10 der Gleichrichterbrücke 1 verbundenen Klemme

309882/0Ö61

der Feldwicklung U. Somit fliesst kein Gitterstrom, die Brücke bleibt gesperrt.

Bei den erfindungsgemäss vorgeschlagenen Schaltungen bringt die mögliche Streuung der Thyristor-Zündcharakteristiken keine Schwierigkeiten. Die Bemessung der Zündwiderstände 6, 7 ist unproblematisch, da sie nur Schutzfunktionen haben. Sie brauchen nicht für jede Maschine angepasst werden.

Bei den in den Figuren dargestellten Schaltungen bekommen die Thyristoren in der Sperrphase naturgemäss überhaupt keinen Gitterstrom. Dies ist ein grosser Vorteil gegenüber von aussen her gesteuerten Thyristorschaltungen, bei denen, wenn die Signale infolge eines Fehlers während der Sperrperiode kommen, äusserst unangenehme und störende Gitterströme bzw. Signale , auftreten können.

309882/09S1

Claims (5)

1. - 11 - 86/72 D

   Patent ansprüche"'

   I.) Elektronische Schaltung zur Erregung asynchron anlaufender, schleifringloser Synchronmotoren, bei welcher die rotierende Wicklung des auf der Welle des Synchronmotors angebrachten Ankers einer Wechselstrom-Erregermaschine über eine mitlaufende Gleichrichter-Brückenschaltung an die rotierende, mit mindestens einem Parallelwiderstand versehene Feldwicklung des Synchronmotors angeschlossen ist und bei welcher gesteuerte Stromrichterventile zur zeitweiligen Trennung der Gleichrichter-Brückenschaltung von der Feldwicklung im asynchronen Zustand vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf der negativen Seite der Gleiehrichterbrücke (.1) und .in deren Gleichstromkreis" die bezüglich der Gleichrichter in Durchlassrichtung gepolte Anoden-Kathoden-Strecke mindestens eines Thyristors (2) liegt, der einpolig mi-t der einen Klemme des Parallelwiderstandes (3) verbunden ist, dass die andere, mit dem nicht thyristorseitigen Pol der Gleiehrichterbrücke (1) verbundene Klemme des Parallelwiderstandes (3) über die Serienschaltung .zweier Widerstände"(6,7) auf die' Steuerelektrode des besagten, mindestens einmal vorgesehenen Thyristors (2) geschaltet ist, und dass der Zusammensehaltungspunkt der beiden Serienwiderst&'nde (6,7) über eine in Durchlassrichtung gepolte erste Diode (8) mit der Anode des mindestens einmal vorgesehenen Thyristors (2) verbunden ist.

   309882/0961

   - 12 - - .86/72 D

   ? 2 3 A 5-A 8
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterbrücke (1) aus ungesteuerten Dioden aufgebaut ist, dass die Kathode des mindestens einmal vorgesehenen Thyristors (2) mit den zusammengeschalteten Anoden der Dioden in der negativen Hälfte der Gleichrichterbrücke (1) und die Anode des Thyristors (2) mit der einen Klemme des Parallelwiderstandes (3) verbunden ist.
3. 3. Schaltung nach Ansnruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Thyristoren (2) mit ihren Anoden-Kathodeh-Strecken parallel verbunden sind, dass der nicht thyristorseitige Pol der Gleichrichterbrücke (1) über die Serienschaltung der beiden Widerstände (6,7) mit den Steuerelektroden sämtlicher Thyristoren (2) und der Verbindungspunkt dieser Widerstände (6,7) über die erste Diode (8) mit den zusammengeschalteten Anoden der Thyristoren (2) verbunden ist.
4. ^. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass so viele Thyristoren (2) vorgesehen sind, wie die Gleichrichterbrücke (1) Zweige aufweist und diese Thyristoren die Gleichrichterveritile der negativen Brückenhälfte bilden.
5. 5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Serienwiderstand (7) mit der Steuerelektrode jedes Thyristors (2) über eine in Durchlassrichtung' gepolte zweite Diode verbunden ist.

   Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE.

   309882/0961