DE2246562A1 - Stromrichtermotor - Google Patents

Stromrichtermotor

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Description

öIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den 2 1. SEP. 1972 Berlin und München ■ ' Werner-von-Siemens-Str.50
Unser Zeichen:' VPA 72/3198 Soe/Syr
Stromrichtermotor
Die Erfindung betrifft einen Stromrichtermotor, gespeist von einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Ström im Zwischenkreis und einer Summenlöscheinrichtung für die Stromrichterventile des Wechselrichters, die zwei in Serie geschaltete Stromrichterventile enthält, mit denen die Ausgänge des Zwischenkreises überbrückt sind und die im Kommutierungskreis einen Teil der Lastkreisinduktivität aufweist.
Unter Stromrichtermotoren versteht man im allgemeinen Drehfeldmaschinen synchroner Bauart, die aus einem Wechselstromoder Drehstromnetz konstanter Spannung und Frequenz über einen gesteuerten Gleichrichter, einen Gleichstromzwischenkreis und einen Wechselrichter gespeist werden. Die Taktung des Wechselrichters erfolgt lastabhängig, die Kommutierungsblindleistung liefert die Maschine.
Beim Stromrichtermotor kann die Blindleistung für die Kommutierung des Motorstromes erst ab einer gewissen Betriebsdrehzahl vom Motor selbst zur Verfügung gestellt werden. In einem Drehzahlbereich, der zwischen Null und etwa einem Zehntel der Nenndrehzahl des Stromrichtermotors liegt, muß daher auf gesonderte Anfahrhilfen zurückgegriffen werden, bei denen der Bereich kleiner Drehzahlen mit Hilfe zusätzlicher Vorrichtungen oder entsprechender Umschaltungen durchfahren wird.
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Bekannt ist beispielsweise aus der DT-OS 1 538 150 ein Stromrichtermotor der eingangs genannten Art, wobei eine Mehrphasenmaschine mit in Stern geschalteten Ständerwicklungen vorgesehen ist und zwischen den Verbindungspunkt der in Serie geschalteten Stromrichterventile der Summenlöscheinrichtung und den Sternpunkt der Wicklungen ein Löschkondensator geschaltet ist. Die beiden in Serie geschalteten Stromrichterventile der Summenlöscheinrichtung sind steuerbar. Mit dieser Summenlöscheinrichtung können die Stromrichterventile des Wechselrichters, die beispielsweise Thyristoren sein können, und damit der Motorstrom beispielsweise im Takt der Signale eines Rotorlagengebers gelöscht werden.
Eine solche Summenlöscheinrichtung für die Stromrichterventile des Wechselrichters soll unabhängig von der Kurzschlußleistung des speisenden Netzes arbeiten, wobei zur Vermeidung von größeren Momenteinbrüchen an der Motorwelle eine möglichst kleine Kommutierungszeit angestrebt wird. Die Löscheinrichtung soll außerdem leerlaufsicher arbeiten, d.h. ihre Funktion muß auch bei lückendem Laststrom sichergestellt sein. Außerdem sollen möglichst wenig gesteuerte Ventile benötigt werden.
Diese Forderungen werden von dem bekannten Stromrichtermotor nur zum Teil voll befriedigend erfüllt.
Beispielsweise aus der DT-OS 1 413 481 ist ein Zwischenkreisumrichter mit eingeprägter Gleichspannung im Zwischenkreis bekannt, bei dem den Stromrichterventilen des Wechselrichters Blindstromdioden parallel liegen müssen. Dieser Umrichter kann zur Speisung einer Asynchronmaschine oder für einen Reversierantrieb mit Gleichstrommotor eingesetzt werden. Bei diesem Umrichter ist der Ausgang des Zwischenkreises mit einer Serienschaltung eines gesteuerten und eines ungesteuerten Ventils und einer Induktivität überbrückt, wobei dem steuerbaren Stromrichterventil ein Serienschwingkreis und dem steuerbaren Stromrichterventil und der Induktivität ein Löschkondensator parallel liegt. Der Kommutierungs-
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Vorgang wird "bei diesem Umrichter durch Zündung des gesteuerten Ventils in der Serienschaltung eingeleitet. Da sich der Löschkondensator beim Kommutierungsvorgang nur geringfügig negativ auflädt, ist für das Löschen des steuerbaren Ventils in der Summenlöscheinrichtung der parallel geschaltete Serienschwingkreis vorzusehen. Das steuerbare Stromrichterventil im Löschkreis muß für sehr hohe Belastungen ausgelegt sein. Insbesondere gilt dies, falls man mit diesem Umrichter eine Steuerung der Drehzahl durchführen will, wobei die Grenzfrequenz eines solchen Antriebs sehr niedrig ist.
Es besteht die Aufgabe, einen Stromrichtermotor der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei möglichst geringem Aufwand der Motorstrom auch bei sehr kleinen Betriebsdrehzahlen störungsfrei zu kommutieren ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ausgänge des Zwischenkreises durch die Serienschaltung eines steuerbaren und eines ungesteuerten Stromrichterventils und einer Induktivität überbrückt sind, wobei die Induktivität mit dem steuerbaren Stromrichterventil verbunden ist und daß ein Kondensator dem gesteuerten Stromrichterventil und der Induktivität dieser Serienschaltung parallel geschaltet ist.
Vorzugsweise wird mit einem Spannungsindikator die am steuerbaren Stromrichterventil und der Induktivität abfallende Spannung erfaßt und es werden mit einem Grenzwertmelder die Zündimpulse für alle Stromrichterventile des Wechselrichters gesperrt, wenn diese Spannung einen Grenzwert unterschreitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Stromrichtermotor ist die Löscheinrichtung so ausgeführt, daß mit jeder Kommutierung im Wechselrichter des Zwischenkreisumrichters die beiden stromführenden Motorwicklungen stromlos gemacht werden und so in einer nachfolgenden, kurzen, stromfreien Pause eine neue Gruppe von Stromrichterventilen eingeschaltet werden kann.
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Diese Löscheinrichtung arbeitet unabhängig von der Kurzschlußleistung des speisenden Netzes. Man erhält mit der Summenlöscheinrichtung des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors sehr kurze Kommutierungszeiten und daher nur geringe Momenteneinbrüche. Die Summenlöscheinrichtung ist leerlaufsieher, d.h. auch bei lückendem Gleichstrom voll funktionsfähig. Außerdem sind nur venige, zusätzliche Bauelemente erforderlich, da nur ein zusätzliches gesteuertes Stromrichterventil und keine gesonderte Spannungsquelle für die Erstaufladung oder für Nachladungen benötigt wird. Ein gesonderter Löschkreis für das steuerbare Stromrichterventil der Summenlöscheinrichtung braucht nicht vorgesehen zu werden und dieses Stromrichterventil braucht nicht für besonders hohe Strombelastungen ausgelegt zu sein.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Stromrichtermotor beispielhaft anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
Fig. 1 zeigt die Schaltung eines erfindungsgemäßen Stromrichtermotors. Die dreiphasige Wicklung einer Synchronmaschine 1 wird aus einem Drehstromnetz R, S, T über einen gesteuerten Gleichrichter 2, einen Gleichstromzwischenkreis 3 mit Glättungsinduktivität 4 und einen gesteuerten Wechselrichter 5 gespeist. Im Ausf Uhrungsbeispiel ist der Gleichrichter 2 aus sechs steuerbaren Stromrichterventilen 2a bis 2f in DrehstrombrUckenschaltung und der Wechselrichter 5 aus steuerbaren Stromrichterventilen 5a bis 5f ebenfalls in DrehstrombrUckenschaltung aufgebaut. FUr den Wechselrichter 5 sind außer den steuerbaren Halbleiterventilen 5a bis 5f keine weiteren Halbleiterbauelemente, beispielsweise keine Blindstromdioden vorzusehen, da der Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis 3 arbeitet. Die steuerbaren Stromrichterventile 2a bis 2f bzw. 5a bis 5f können beispielsweise Thyristoren sein.
Mit dem Motorläufer des Drehstromsynchronmotors 1 ist ein beispielsweise permanentmagnetischer oder mit Hallgeneratoren bestückter Rotorlagengeber 6 und ein Tachodynamo 7 mechanisch
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gekoppelt. Die Signale'des Rotorlagengebers 6 sind, einer Logikstufe 8 zugeführt, die über Leitungen 9 die Stromrichterventile 5a bis 5f des Wechselrichters 5 in Abhängigkeit von den Signalen des Läuferstellungsgebers 6 ansteuert. Der Aufbau einer solchen Logikstufe 8 kann beispielsweise der DT-PS 1 240 980 oder der DT-OS 2 035 955 entnommen werden. Die Signale des Tachodynamos 7 werden in einer Addierstufe 10 mit einem Drehzahlsollwert verglichen, der über den Eingang 11 eingegeben werden kann. Die erhaltene Regelabweichung wird einem Drehzahlregler 12 zugeführt, dessen Ausgangssignal in einer weiteren Addierstufe 13 mit Signalen eines Stromwandlers 14 verglichen wird, der in der Drehstromspeiseleitung angeordnet ist. Der Addierstufe 13 ist ein Stromregler 15 nachgeschaltet, von dem über Leitungen 16 die Stromrichterventile 2a bis 2f des Gleichrichters 2 angesteuert werden. Bezüglich des Aufbaus des Drehzahlreglers 12 und des Stromreglers 15 darf ebenfalls auf die DT-OS 2 035 995 verwiesen werden.
Die Ausgänge 3a und 3b des Zwischenkreises 3 mit eingeprägtem Strom sind durch eine Serienschaltung 17 überbrückt, die aus einem ungesteuerten Ventil 18, einem,gesteuerten Ventil 19 und einer Induktivität 20 besteht. Die Induktivität 20 ist mit dem gesteuerten Stromrichterventil 19 verbunden und der Drossel 20 und dem steuerbaren Stromrichterventil 19 ist ein Kondensator 21 parallel geschaltet. Diese Serienschaltung 17 und der Kondensator 21 sind wesentlicher Bestandteil der Summenlöscheinrichtung, in dessen Kommutierungskreis die Maschinenwicklungen als Kommutierungsinduktivitäten liegen. Das ungesteuerte Ventil 18 kann beispielsweise eine Diode sein, die als Entkopplungsdiode dient und das gesteuerte Ventil 19 kann ein Thyristor sein, der im allgemeinen als Löschthyristor bezeichnet wird.
Zur Ladung des Löschkondensators 21 ist ein Gleichrichter 22 vorgesehen, der aus ungesteuerten Ventilen in Drehstrombrückenschal tung aufgebaut ist. Der Eingang des Gleichrichters 22 ist über einen Transformator 23 mit der Drehstrom-
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ORIGINAL· INSPECiED η -j
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speiseleitung und der Ausgang des Gleichrichters 22 über einen Widerstand 24 mit dem Löschkondensator 21 verbunden. Auf den Ladevorgang wird noch gesondert eingegangen werden.
Zur Ansteuerung des steuerbaren Ventiles 19 der Summenlöscheinrichtung ist eine Differenzierstufe 25 vorgesehen, die mit der Logikstufe 8 verbunden ist. Außerdem ist eine Spannungsindikatorstufe 26 angeordnet, mit der die am Kondensator 21 liegende Kondensatorspannung u_ bestimmt wird. Die Spannungsindikatorstufe kann beispielsweise eine Zenerdiode mit der Durchbruchspannung u . sein. Der Ausgang der Indikatorstufe 26 ist mit einem Sperreingang 27 der Logikstufe 8 verbunden. Für diese Verbindung ist wegen der Potentialtrennung und wegen einer verzögerungsfreien Übertragung des statischen Signales ein optoelektronisches Koppelelement, beispielsweise eine Lichtschranke, vorgesehen. Auf die Funktion der Indikatorstufe 26 wird im folgenden noch näher eingegangen werden.
Bei Betriebsdrehzahlen, die größer als etwa ein Zehntel der Nenndrehzahl nN sind, erfolgt bei dem in Fig. 1 dargestellten Stromrichtermotor die Kommutierung des Motorstromes ijj beispielsweise vom Thyristor 5a auf den Thyristor 5b des Wechselrichters 5 mit Hilfe der Maschinenspannung der Synchronmaschine 1.
Für Betriebsdrehzahlen, die kleiner als etwa ein Zehntel der Nenndrehzahl sind, reicht Jedoch die Maschinenspannung nicht aus, so daß mit Hilfe der SummenlöScheinrichtung der Motorstrom i„ im Takt der Kommutierungsfrequenz zu Null gemacht werden muß.
Die genaue Funktionsweise der Summenlöscheinrichtung wird anhand der Diagramme der Fig. 2 erläutert. In den Diagrammen iat die Spannung Ug am Löschkondensator 21, der Strom I^ über die Umschwingdrossel 20, der Motorstrom 1M, die Ausgangsspannung Uq der Spannungsindikatorstufe 26 und der Zündimpuls Z für den Löschthyristor 19 über der Zeit t aufgetragen.
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Es sei angenommen, daß die Stromrichterventil 5a und 5f Strom führen und daß der Motorstrom i«. beispielsweise vom Thyristor 5a auf den Thyristor 5b des Wechselrichters 5 kommutiert werden sollen, daß der Kondensator 21 mit der in Fig. 1 angegebenen Polarität.aufgeladen ist.
Im Anfahrbereich, d.h. im Drehzahlbereich zwischen einer Drehzahl η von ungefähr Null und einem Zehntel der Nenndrehzahl njj läuft der Lösch- bzw. Kommutierungsvorgang folgendermäßen ab: Das Stromrichterventil 5b erhält zum Zeitpunkt aft = Oi1 über die Logikstufe 8 einen ZUndbefehl. Gleichzeitig wird aus diesem Signal über die Differenzierstufe 25 ein Zündsignal Z für den Löschthyristor 19 gewonnen. Bei gezündetem Stromrichterventil 19 entlädt sich der Löschkondensator 21 über die Umschwingdrossel 20 und den Thyristor 19. Hat im Zeitpunkt ^^ « «i« die Kondensatorspannung uc den Kippspannungswert u«* der Spannungsindikatorstufe 26 erreicht, so ändert sich das Ausgangssignal u« der Spannungsindikatorstufe 26 und bewirkt über den Löscheingang 27 der Logikstufe 8 eine Sperre aller Zündsignale für die Thyristoren 5a bis 5f des Wechselrichters 5. Da das aufzukommutierende Stromrichterventil 5b des Wechselrichters 5 bisher noch keinen Strom führen konnte, geht es wieder in den nicht leitenden Zustand über. Im Zeitpunkt <>6 , ist u~ = O. Der Umschwingstrom i^ hat dann seinen Höchstwert. Mit der nun negativ werdenden"Kondensatorspannung wird Strom über die Diode 18 entgegen der Durchlaßrichtung der Ventile 5a und 5f des Wechselrichters 5 getrieben, so daß der Motorstrom iM abzunehmen beginnt.
Im Zeitpunkt ^* « <* ^ wird der Umschwingstrom i^ _ O, so daß das Stromrichterventil 19 ohne weitere Maßnahmen erlischt.. Die negative Kondensatorspannung Uq treibt den Strom iM weiter gegen Null, bis im Zeitpunkt art = et die noch stromführenden Stromrichterventile 5a und 5f des Wechselrichters erlöschen. Der Kondensator 21 wird nun vom weiterhin konstanten Zwischenkreisstrom 7d nach positiveren Werten hin umladen. Bei ort =<**,- wird die Kondensatorspannung uc wieder
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Null, die Zeit t = 1 {°C r - *c K) muß mindestens gleich
Sr D ->
der Schonzeit der Ventile des Wechselrichters 5 sein.
Normalerweise könnte ab cvt =·*£ die Aufkommutierung des Maschinenstromes i» in den neu gezündeten Stromrichterventilen 5b und 5f des Wechselrichters 5 beginnen. Da aber Up noch nicht wieder den Wert uc1 als Rückkippwert der Spannungsindikatorstufe 26 erreicht hat, wird der Kondensator 21 bis ort, = ot. von I^ weiter geladen. Mit der Freigabe der Zündsignale für die Stromrichterventile 5b und 5f im Zeitpunkt or t » <*, ~, in dem die Ausgangs spannung U^ der Indikatorstufe 26 zurückkippt, beginnt die Aufkommutierung des Motorstromes i«, die im Zeitpunkt <& t = <*■ g abgeschlossen ist. Die Kondensatorspannung u„ hat dann die für die nächste Kommutierung erforderliche Polarität, die in der Fig. 1 angegeben ist und die Größe U/
Die verzögerte Freigabe der Zündimpulse des Wechselrichters 5 bewirkt, daß die positive Endspannung uc2 höher wird als die aus dem eigentlichen Kommutierungsvorgang resultierende. Es gilt:
UC2 -
worin L., die am Kommutierungsvorgang beteiligten Motorstreuinduktivitäten sind. Die Kondensatorspannung Mq* wird mit Hilfe der Spannungsindikatorstufe 26 so gewählt, daß einerseits die Verluste des vom Zeitpunktes^ bis zum Zeitpunkt ot ^ dauernden Umschwingvorganges gedeckt sind und sich andererseits eine Spannung uc2 ergibt, mit der gegebenenfalls eine gegenüber der vorherigen Kommutierung wesentlich höherer Strom kommutiert werden kann.
Durch diese Maßnahmen kann auf Nachladung des Kondensators von zusätzlichen Spannungsquellen her verzichtet werden. Die in Fig. 1 angegebene Hilfsspannungsquelle, die eine Spannung U^ über den Widerstand 24 an den Kondensator legt, wird nur zur Deckung der Leckverluste des Kondensators und des Eigenbedarfes der Indikatorstufe 26 bei
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Generatorbetrieb des Antriebes benötigt und kann daher-für entsprechend kleine Leistung ausgelegt sein.
Die Erstaufladung des Kondensators 21 beim Anfahren erfolgt ebenfalls über den Zwischenkreis 3, da vor Erreichen des Spannungswertes uc1 am Kondensator 21 im Wechselrichter 5 kein Strom fließen kann.
Durch die Spannungsindikatorstufe 26 ist ein sicherer Betrieb des Umrichters bei lückendem Laststrom sichergestellt. Selbst wenn z.B. während der Kommutierung infolge eines Reglereingriffes am Steuersatz 12 bzw. 15 der Gleichrichterbrücke 2 der Strom I. im Zwischenkreis 3 lückt und somit die Umladung des Kondensators 21 auf positive Spannung unterbrochen wird, so ist durch die Sperre der Signale des Wechselrichters 5 sichergestellt, daß bei Wiederkehr des Stromes zunächst der Kondensator 21 bis zur Spannung u^ weitergeladen wird. Erst nach Überschreiten dieses Grenzwertes gibt die Spannungsindikatorstufe 26 die Zündsignale für die Stromrichterventile des Wechselrichters 5 frei..
Die gesamte SummenlöScheinrichtung kann bei Erreichen der für die maschinengeführte Kommutierung erforderlichen Mindestdrehzahl von ungefähr 10 % der Nenndrehzahl in einfacher Weise durch Sperrung der Differenzierstufe 25 abgeschaltet werden. Hierzu ist ein Sperreingang für die Differenz!erstufe 25 vorgesehen, der in Fig. 1 mit 28 bezeichnet ist.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Stromrichtermotor die eingangs genannten Vorteile erhalten werden. Damit ist eine Anfahrhilfe geschaffen, die mit geringem Aufwand an Bauelementen eine sichere Kommutierung des Motorstromes auch in Bereichen sehr kleiner Drehzahlen sicherstellt. Es ist jedoch zu betonen, daß die beschriebene Summenlöscheinrichtung nicht nur als Anfahrschaltung für Stromrichtermotoren tauglich ist. Sie ist bei allen Umrichtern mit Stromzwischenkreis unabhängig von der Art der Maschine voll funktionstüchtig einsetzbar.
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Claims (2)

  1. - 1ü - VPA 72/3198
    22Λ6562
    Patentansprüche
    Stromrichtermotor, gespeist von einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis und einer Summenlöscheinrichtung für die Stromrichterventile des Wechselrichters, die zwei in Serie geschaltete Stromrichterventile enthält, mit denen die Ausgänge des Zwischenkreises überbrückt sind und die im Kommutierungskreis einen Teil der Lastkreisinduktivität aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (3a, 3b) des Zwischenkreises (3) durch die Serienschaltung (17) eines steuerbaren (19) und eines ungesteuerten Stromriehterventiles (18) und einer Induktivität (20) überbrückt sind, wobei die Induktivität mit dem steuerbaren Stromrichterventil verbunden ist und daß ein Kondensator (21) dem gesteuerten Stromrichterventil und der Induktivität dieser Serienschaltung parallel geschaltet ist.
  2. 2. Stromrichterventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Spannungsindikator (26) die am Kondensator (21) abfallende Spannung erfaßbar ist und daß der Spannungsindikator die Zündimpulse für alle Stromrichterventile (5a bis 5f) des Wechselrichters (5) sperrt, wenn diese Spannung einen Grenzwert (Up1) unterschreitet.
    A098U/0672
DE19722246562 1972-09-22 1972-09-22 Wechselrichterventile eines einen Drehfeldmotor speisenden Zwischenkreisumrichters Expired DE2246562C3 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK151431B (da) * 1975-05-16 1987-11-30 Euratom Apparat til styring af en vekselstroemsmotor

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