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"Kreisstrombehaftete Dreiphasen-Umrichteranordnung mit natürlich
kommutierenden Stromrichtern Die Erfindung betrifft eine Dreiphasen-Umrichteranordnung
mit über einen Stromrichtertransformator an ein Drehstromnetz angeschlossenen natürlich
kommutierenden gesteuerten Stromrichtern zur Erzeugung von Drehstrom veränderbarer
Frequenz und Amplitude für den Antrieb eines Asynchronmotors, insbesondere KurzschlußläuSers.
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Als netzgeführte Umrichter zur Erzeugung von Einphasen-Wechselstrom
veränderbarer Frequenz und Amplitude aus Drehstrom sind Umkehrstromrichter mit Thyristoren
bekannt (s. K. Heumann, A.Ch. Stumpe, 'tThyristoren, Eigenschaften und Anwendungen",
Seite 117, Bild 117.1), wie z. B. die Gegenparallelschaltung und die Kreuzschaltung
zweier Stromrichter in Dreiphasen-Brückenschaltung. Es werden drei derartige, eingangsseitig
über einen Drehstrom-Stromrichtertransformator an einem Drehstromnetz angeschlossene
Umkehrstromrichter benötigt, die in bestimmter Weise zu steuern sind, um einen Umkehrstromrichter.
mit Dreiphasenausgang aufzubauen, bei dem die drei Ausgangsphasen mit den daran
angeschlossenen
Phasenlasten die Gleichstronkreise der einzelnen Umkehrstromrichter mit Einphasenausgang
bilden.
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Insgesamt werden für einen solchen Umkehrstromrichter mit Dreiphasenausgang
36 Thyristoren benötigt. Bei den bekannten Umkehrstromrichtern kann ausgehend von
einem 50 Sz-Netz die Frequenz der Ausgangsspannungen zwischen Null und etwa 20 Hz
geändert werden.
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Durch Anwendung des bekannten Untersynchronvertahrens (s. oben genannte
Literatur, S. 245) läßt sich bei einem Asynchronmotor als Belastung des Dreiphasenausganges
der erforderliche Stellbereich der Drehzahl und der Frequenz reduzieren. Es kann
dadurch bei unveränderten Reaktanzen eines Umkehrstromrichters mit Dreiphasenausgang
die Welligkeit der Phasenausgangsspannungen vermindert werden. Andererseits wird
dabei aber die ochlupfleistung des Motors aus dem Läuferkreis über eine an Schleifringen
des Läufers angeschlossene untersynchrone anschnittgesteuerte otromrichterkaskade
an das eingangsseitige Netz des Umiehrstromrichters als Blindleistung zurückgeführt.
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Des weiteren sind zwangskommutierte Direktumrichter mit Thyristoren
(s. zum Beispiel AEG-Mitt. 54 (1964), Heft 1/2, Seiten 126 bis 132, insbesondere
Bild 8) zur Steuerung der Drehzahl von Asynchronmotoren bekannt, darin bestehend,
daß eine jede Phase des eingangsseitigen Drehstromnetzes mit jeder Phase des ausgangsseitigen
Dreiphasennetzes über eine Gegenparallelschaltung von je zwei Thyristoren siteinander
verbunden ist. Da alle beteiligten Thyristoren in der Regel einzeln zwangsgelöscht
sind, stellt ein solcher Direktumrichter einen Maximalaufwand von insgesamt ebenfalls
36 Thyristoren dar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dreiphasen-Umrichteranordnung,wie
eingangs beschrieben, aufzuzeigen, bei der die Anzahl der insgesamt benötigten Thyristoren
erheblich geringer und der Stellbereich der Frequenz größer ist als bei den bekannten
Umrichtern.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß drei
Einzelstromrichter gleichstromseitig in Reihenschaltung in einem Stromkreis derart
angeordnet sind, daß bei dem ersten und zweiten Einzelstromrichter ein Kreisstrom
in Ventilrichtung, beim dritten Einzelstromrichter entgegengesetzt zur Ventilrichtung
in dem Stromkreis fließt und diese Stromrichter so gesteuert sind, daß in dem Stromkreis
die drei Verbindungsleitungen zwischen den Einzel-Stromrichtern die Phasenpotentiale
eines symmetrischen Dreiphasensystems annehmen und den Dreiphasenausgang der Umrichteranordnung
bilden.
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Zur Erzeugung sinusförmiger Phasenausgangsspannungen der Umrichteranordnung
ist die Erfindung durch an sich bekannte Siebkreise weiter ausgebildet, die aus
je zwei in den Terbindungsleitungen zwischen den Stromrichtern liegenden Reihendrosseln
und aus je einem zwischen diesen Verbindungsleitungen geschalteten Kondensator bestehen
und am Drehstromausgang des Umrichters angeordnet sind.
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Ausgestaltungen der Erfindung werden darin gesehen, daß eine derartige
Umrichteranordnung eingangsseitig an einen an einer Batterie betriebenen selbstgeführten
Wechselrichter konstanter Frequenz angeschlossen sein kann oder daß sie eingangsseitig
mit dem ersten Einzelstromrichter direkt und mit dem zweiten und dritten Einzelstromrichter
jeweils über einen Kondensator an ein Einphasen-Wechselstromnetz angeschlossen und
betrieben sein kann.
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Um bei einem am Dreiphasenausgang der Umrichteranordnung betriebenen
Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer den Drehzahlbereich auf die doppelte Nenndrehzahl
zu erweitern bei über dem ganzen erweiterten Bereich nahezu gleichlbeibendem Drehmoment,
ist die Erfindung noch dadurch weiter ausgebildet, daß der Sternpunkt der Wicklungen
des Ständers aufgelöst ist und diese Wicklungen andererseits an den Dreiphasenausgang
einer zweiten an ein Drehstromhilfsnetz angeschlossenen Umrichteranordnung angeschlossen
ist.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt,
die nachstehend beschrieben werden.
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Es zeigen Figur 1 eine Umrichteranordnung mit Siebkreisen am Dreiphasenausgang
und einem Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer als Belastung; Figur 2 eine schematische
Darstellung einer an einem Einphasen-Wechselstromnetz betriebenen Umrichteranordnung
mit Dreiphasenausgang.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Umrichteranordnung sind über einen
Drehstrom-Stromrichtertransformator Tr die Dreiphaseneingänge von drei Einzelstromrichtern
1, 2, 3 an ein Drehstromnetz R, S, T angeschlossen. Die drei Einzelstromrichter
sind steuerbar und z. B. in Brückenschaltung mit je 6 Thyristoren ausgeführt. Insgesamt
umfaßt die Anordnung daher nur achtzehn Thyristoren. Die Gleichstromausgänge der
drei Stromrichter 1, 2, 3 sind in einem Gleichstromkreis 4 in der Weise in Reihe
geschaltet, daß in dem Stromkreis ein Gleichstrom 1 g die Stromrichter 1 und 2 in
Ventilrichtung und den Stromrichter 3 entgegengesetzt zur Ventilrichtung durchfließt.
Die drei Verbindungsleitungen 41, 42, 43 zwischen den Gleichstromausgängen dieser
Stromrichter bilden zusammen einen Dreiphasenausgang R', S', T der Umrichteranordnung.
Es gehen von den Verbindungsleitungen drei Phasenlastabgänge
ab,
an welchen der Ständer 51 eines Asynchronmotors 5 mit einem nicht dargestellten
kurzschlußläufer angeschlossen ist. In dem Stromkreis 4 kann während des Betriebs
der Anordnung ein Ausgleichstrom (Kreisstrom) fließen. Am Dreiphasenausgang der
Umrichteranordnung sind Siebkreise angeordnet. Diese bestehen aus je zwei in den
Verbindungsleitungen in Reihe liegenden Drosseln L1, Z.' L2, und L3, L'3 und aus
je einem zwischen den Verbindungsleitungen geschalteten Kondensator C12 C13 und
d C2.
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Die Siebkreise dienen in bekannter Weist dazu, um nahezu sinusförmige
Dreiphasen-Ausgangsspannungen der Umrichteranordnung zu erhalten.
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Die drei Einzelstromrichter 1, 2 und 3 werden mit Hilfe eines Steuersatzes
7 durch Phasenanschnitt der Dreiphasen-Eingangsspannungen derart gesteuert, daß
die Verbindungsleitungen 41, 42, 43 Phasenpotentiale eises symmetrischen Dreiphasensystens
annehmen, so daß. im Stromkreis 4 die Summe aller Spannungen stets Null ist. Unter
Verwendung nicht dargestellter Regelkreise kann diese Steuerung so vorgenommen werden,
daß auch unter Belastung des Dreiphasenausganges der Umrichteranordnung ein symmetrisches
Dreiphasensystem entsteht. Zum Abbremsen und Antreiben des Motors nach Drehrichtungsumkehr
können die Stromrichter mit umgekehrter Phasenfolge gesteuert werden. Die Steuerung
der Stromrichter kann beispielsweise so vor sich gehen, daß die Summe der Gleichrichterspannungen
der Stromrichter 1 und 2 während einer Halbperiode des herzustellenden Dreihasensystems
R', S', T' auf den zeitlich veränderlichen Betrag der Summe von Sollvektoren für
zwei der insgesamt drei Phasenausgangsspannungen und während der darauf folgenden
Halbperiode auf den zeitlich veränderlichen Betrag des Sollvektors für die verbleibende
dritte Phasenausgangsspannung geregelt werden und daß die Stromrichterspannung des
Stromrichters 3 während dieser Halbperioden in der
gleichen Weise
jedoch in umgekehrter Reihenfolge geregelt wird. Die Steuerung der Stromrichter
kann auch anders vor sich gehen, z. B. in der Weise, daß nach für einen Asynchronmotor
vorgegebener Momentenkurve oder Drehzahlabhängigkeit gesteuert und geregelt wird.
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Die Stromrichter der Umrichteranordnung sind in jedem Falle an sich
netzgeführt durch das Drehstromnetz R, -, T, es wird jedoch die Kommutierung der
Thyristorströme in den Stromrichtern vom Motor her unterstützt durch Gegenspannungsimpulse,
die jeweils nach Einleitung der Kommutierung entstehen. Es kann mittels der beschriebenen
Uarichteranordnung die Frequenz der Phasenausgangsspannungen zwischen Null und der
Frequenz eines Drehstromnetzes PL, , T von 50 Hz stufenlos verstellt werden. Deshalb
können damit Antriebe auch im Schleichgang gefahren werden, so daß sich eine Verwendung
für Positionierantriebe erschließt. Außerdem können die Phasenausgangsspannungen
in der Amplitude zwischen nahezu Null und Nennspannung verändert werden.
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Der Schaltung in Fig. 1 ist zu entnhemen, daß bei dem Asynchronmotor
5 der Sternpunkt der Wicklungen des Ständers 51 aufgelöst ist und die sternpunktseitigen
Wicklungsenden an den Dreiphasenausgang einer Stromrichteranordnung 1', 2', 3' angeschlossen
sind, die ihrerseits an ein Drehstromhilfsnetz R", S", ?'' angeschlossen ist. An
den Ständerwicklungen ergibt sich dadurch eine Frequenzaddition für den Übersynchronbetrieb
des Motors, wobei der Drehzahlbereich des Motors 5 über die Nenndrehzahl hinaus
erweitert wird, beispielsweise auf die doppelte Nenndrehzahl, und zwar unter Verwendung
eines Umrichters mit drei gesteuerten Stromrichtern 1', 2', 3', die in der gleichen
Weise wie bei der vorher beschriebenen Umrichteranordnung zusammengeschaltet sind,
und ferncr eines Drehstromhilfsnetzes mit einer Frequenz
von 50
Hz. Es hat sich gezeigt, daß das Drehmoment des Motors auch im Ubersynchronbetrieb
innerhalb des erweiterten Drehzahlbereiches nahezu konstant erhalten bleibt.
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Beim Anlaufen des Motors können übrigens die beteiligten Stromrichter
1, 2, 3 und 1', 2', 3' derart gesteuert werden, daß das Anlaufmoment stetig einsetzt.
Es kann daher der Motor mit einem Mehrfachen des Anlaufmoments angefahren werden,
das dann in dem ganzen erweiterten Drehzahlbereich auch gehalten wird.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Umrichteranordnung sind die Eingänge
von drei Einphasen-Stromrichtern 1, 2, 3 über getrennte Stromrichtertransformatoren
Tr 1, Tr 2, tor 3 an ein Einphasen-Wechselstromnetz N angeschlossen. Die drei Stromrichter
sind steuerbar und beispielsweise wiederum in entsprechender Schaltung ausgeführt.
Die Gleichstromausgänge dieser Stromrichter sind, wie in Fig. 1 dargestellt, in
einem Gleichstromkreis 4 in Reihenschaltung angeordnet, und es bilden in dem Stromkreis
4 die Verbindungsleitungen zwischen den Stromrichteraustängen den Dreiphasenausgang
N' der Umrichteranordnung, an dem der Ständer 51 einesAsynchronmotors 5 angeschlossen
ist. Eine derartige, an ein Einphasen-Wechselstromnetz angeschlossene Anordnung
arbeitet wie die oben beschriebene, in Fig. 1 dargestellte Anordnung, und es kann
in dem Stromkreis 4 ein Kreisstrom fließen. Sind, wie es die Fig. 2 zeigt, Kondensatoren
C2, C3 den Wechselstromeingängen von zwei Stromrichtern vorgeschaltet, so werden
den Stromrichtern Eingangswechselspannungen unterschiedlicher Phasenlage zugeführt.
Es ergibt sich eine Mehrphasigkeit des des Wechselstromeinganges der Umrichteranordnung
insgesamt, wodurch sich die Kreisfrequenz 21nf erhöht und die Reaktanten sich verringern
und über den Kreis strom der Leistungsfaktor geregelt werden kann.
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An Stelle eines Drehstromnetzes R, S, T gem. Fig. 1 oder eines Einphasennetzes
N gemäß Fig. 2 kann ein entsprechendes Wechselstromnetz mit Hilfe eines selbstgeführten
Wechselrichters, der an einer Batterie betrieben wird, geschaffen werden. In dieser
Ausführung, insbesondere unter Verwendung eines Mittelfrequenzwechselrichters und
eines Kurzschlußläufers, eröffnet die Erfindung erstmals aussichtsreiche Möglichkeiten,
bei batteriegespeisten Traktionssystemen für Elektrofahrzeuge das Leistungsgewicht
einschneidend zu verringern.
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Hierzu wie auch bei anderen Anwendungen trägt vor allem bei, daß
die Anzahl der benötigten Thyristoren verhältnismäßig gering ist und auch das Zubehör
für die Thyristoren dementsprechend beschränkt ist. Weiterhin werden Vorteile, die
durch die Erfindung erreicht werden, darin gesehen, daß ein mittels der oben beschriebenen
Dreiphasen-Umrichteranordnung betriebener Drehstrommotor mit einem nur kleinen GD2
ausgelegt zu werden braucht und daß ein solcher Motor niedrige Herstellungskosten
verursacht, aber dennoch eine wirksame Schutzart ermöglicht und bekanntlich keinerlei
Wartung bedarf. Es können bei einer Umrichteranordnung gem.
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der Erfindung normale für den Netzbetrieb gefertigte Thyristoren verwendet
werden, ferner können die Steuer- und Regeleinrichtungen der Umrichteranordnung
sehr kompakt und betriebssicher ausgeführt werden. Schließlich erfordert die Einrichtung
einer Anlage mit einer Umrichteranordnung gemäß der Erfindung und mit Motor weniger
Kosten als die einer vergleichbaren Anlage mit z. B. zwei Drehstrombrücken für Vier-Quadranten-Betrieb.