DE2417214C3 - Anordnung zur Steuerung oder Regelung der Geschwindigkeit einer über eine Umrichterschaltung gespeiste Dreiphasen-Wechselstrommaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung oder Regelung der Geschwindigkeit einer aus einer Wechselstromquelle über eine steuerbare Ventile enthaltende Umrichterschaltung gespeiste Dreiphasen-Wechselstrommaschine, die für jede Phasenwicklung ein Einrichtungs-Stromrichtersteilglied besitzt, die gemeinsam durch eine Steuereinrichtung derart gesteuert sind, daß drei von jeweils einem Gleichstrom überlagerte Wechselströme entstehen, die zusammen ein Drehfeldsystem bilden. Eine solche Anordnung ist in dem DT-PS 22 59 826 vorgeschlagen worden.

Die die elektrische Drehfeldmaschine speisenden Stromrichter sind entweder mit Gleichstromzwischenkreis ausgebildet oder werden als Direktumrichter betrieben. Im Vergleich mit Antrieben, die mit Gleichstromantriebsmotoren ausgerüstet sind, welche von gesteuerten Gleichrichtern gespeist werden, ist der 5$ Aufwand jedoch relativ hoch. Für selbstgeführte Stromrichter mit Gleichstrom- bzw. Gleichspannungszwischenkreis erfolgt nämlich eine zweifache Energieumformung im Gleichrichter und im Wechselrichter und es ist ein Energiespeicher im Zwischenkreis erforderlich. Bei der Anwendung von Direktumrichtern besteht die Notwendigkeit antiparallele Stromrichter in jedem Wicklungszweig vorzusehen.

Bei der oben erwähnten DT-PS 22 59 826 ist bereits vorgeschlagen worden zur Herabsetzung des Aufwandes bei den Stromrichteranordnungen den speisenden Stromrichter im Aufwand zu verkleinern, indem man in diesem drei von jeweils einem Gleichstrom überlagerte Wechselströme erzeugt, die ein Drehstromsystem bilden. Da eine normale Mehrphasenwechselstrommaschine (Drehstrommaschine) für die Speisung mit solchen, von einem Gleichstrom überlagerten Wechselströmen nicht geeignet ist, ist bei diesem Vorschlag die Ständerwicklung der elektrischen Drehfeldmaschine in einer Spezialausführung ausgebildet. Sie weist eine Zweischichtwicklung auf, die so aufgebaut ist, daß sie jeweils die beiden in einer Nut angeordneten Wicklungsstränge oder Leiterstäbe von einem Wechselstrom mit überlagertem Gleichstrom durchflossen sind, wobei die Gleichstromglieder des Stromes entgegengesetzte Stromrichtungen in den beiden Leiterstäben einer Nut aufweisen. Dadurch heben sich die von den Gleichstiomgliedern erzeugten Amperewindungen (Durchflutungen) der beiden in jeweils einer Nut liegenden Wicklungsstränge bzw. Leiterstäbe gegenseitig auf, während die Wechselstromglieder zusammen ein Drehfeld bzw. Wanderfeld erzeugen. In einer Nut liegen dabei jeweils zwei Leiter, deren Gleichstromkomponenten umgekehrte Richtungen haben. Die Anordnung nach dissem Vorschlag erlaubt es, den Aufwand für den Umrichter in bezug auf die Anzahl gleich groß dimensionierter Thyristoren auf etwa die Hälfte herabzusetzen, da die antiparallekm Ventile des Direktumrichters wegfallen können. Weiterhin können bei kreisstrombehafteten Schaltungen die Kreisstromdrosseln bzw. bei kreisstromfreien Schaltungen die Umschaltlogik und Stromrichtungsüberwachung entfallen. Bekanntlich kann man sich vorstellen, daß ein Direktumrichter aus drei Umkehrstromrichtern für Gleichstrommaschinen, die somit jeweils aus zwei Drehstrombrückenschaltungen bestehen müssen, aufgebaut ist. Bei der vorgeschlagenen Anordnung ist es möglich, die Hälfte der Stromrichterbrücken einzusparen.

Die in dem erwähnten Patent vorgeschlagenen Spezialmotoren weisen jedoch wegen der bezüglich der Ausnutzung und des Oberwellengehaltes des Luftspaltfeldes ungünstigen Sehnung und vor allem wegen der vom Gleichstromanteil der Ständerströme verursachten Stromwärmeverluste, welche doppelt so hoch sind, wie die von den Wechselstromgrundquellen verursachten, sowie der erhöhten Oberwellenverluste erheblich größere Abmessungen auf als die normalen Motoren und sind damit naturgemäß schwerer als diese. Die Drehfeldmaschinen werden jedoch nicht nur im Wirkungsgrad schlechter als solcher konventioneller Bauart, sondern werden auch im Gewicht und im Volumen vergrößert.

Dies wirkt sich z. B. bei elektrischen Triebfahrzeugen besonders nachteilig aus, bei denen die Drehstrommotoren beispielsweise als Tatzlagermotoren ausgebildet sind und daher nur halbabgefedert im Fahrzeugrahmen bzw. Drehgestell angeordnet sind. Für die Verluste in den Zuleitungen vom Stromrichter zu den Motoren gilt dasselbe wie für die Ständerwicklungsverluste.

Auch bei den Antriebsmotoren von Rollgängen zu Walzwerken sind die räumlichen Abmessungen der Antriebsmotoren von großer Bedeutung, insbesondere, wenn, wie meist üblich, jede Rolle durch einen besonderen Motor angetrieben wird. Durch die großen räumlichen Abmessungen einer solchen Rollganganlage sind die Zuleitungen zwischen Umrichter und Antriebsmotor relativ lang, womit die bei der vorgeschlagenen Lösung sich ergebenden Verluste in den Zuleitungen entweder merklich größere Leitungsquerschnitte erforderlich machen oder sich die Energieverluste erheblich

erhöhen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei Anwendung des vorgeschlagenen Stromrichtersystems, insbesondere bei elektrischen Triebfahrzeugen mit Antrieb durch Tatzlagermotoren oder bei Rollgangantrieben für Walzwerke, die Nachteile der vorgeschlagenen Anordnung zu vermeiden, d. h. bei der erstgenannten Anwendung den Einsatz normaler Drehstrommotoren zu ermöglichen, Verluste einzusparen und die unabgereder».ep Massen, die den Lauf des Fahrzeuges in ungünstiger Weise beeinflussen, zu verkleinern und beim zweitgenannten Anwendungsgebiet die radialen Abmessungen eier Antriebsmotoren zu verkleinern, sowie die erheblichen zusätzlichen Verluste in den Zuleitungen zu vermeiden. -5

Als Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zwischen den Stromrichter-Steilgliedern und der elektrischen Maschine ein Mehrphasen-Zwischentransformdtor geschaltet ist, dessen, von den Stromrichtersteügliedern gespeiste Primärwicklung in Zick-Zack-Schaltung und dessen die Ständerwicklung der elektrischen Maschine speisende Sekundärwicklung in Stern- oder Dreieckschaltung geschaltet ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung fallen Gleichstromverluste im Gegensatz zu der vorgeschlagenen Anordnung nach DBP 22 59 826 nur im Transformator (nicht aber in den Motoren und deren Zuleitungen) an, aus dem sie besser abgeführt werden können als z. B. von Fahrmotoren, die aus Gründen der erhöhten Betriebssicherheit nicht mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden können.

Gegenüber Anordnungen mit konventionellen Wechselrichtern, wie diese z. B. in dem Aufsatz von Kanngießer »Umrichter zur Speisung von Drehfeldmaschinen«, veröffentlicht in der »Elektrotechnisehen Zeitschrift« Ausgabe A 1964, Seite 673 bis 681 beschrieben sind, ergibt sich nicht nur eine Einsparung der Hälfte der Stromrichterbauelemente und der zugehörigen Steuerung, sondern auch die Möglichkeit, Stromrichterelemente mit längerer Freiweidezeit zu verwenden, da die Stromrichterelemente nur im Gleichrichterbetrieb, nicht aber im Wechselrichterbetrieb beansprucht sind. Stromrichterelemente dieser Art sind günstiger im Preis als die für Wechselrichterbetrieb dimensionierten. Die etwas erhöhten Verluste im Transformator sind gegenüber den erzielten großen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik praktisch belanglos.

Die Verwendung eines Transformators zwischen Stromrichter und Motoren erlaubt es, auch die Motoren, die, wie oben erwähnt, Drehstrommoioren herkömmlicher Bauart (z. B. Normmotoren) sein können, für optimale Spannungswerte unabhängig von den optimalen Spannungswerten für die Stromrichter auszulegen und umgekehrt, wodurch über die in der DT-PS P 22 59 826 erwähnten noch hinausgehende weitere Einsparungen, z. B. durch bessere Nutzung der bei einem Thyristormodell zulässigen Sperrspannung, am Direktumrichter möglich werden.

Darüber hinaus bietet die Verwendung eines Transformators den Vorteil, daß sämtliche Motoren an einen Transformator parallel angeschaltet werden können, was bei der bereits vorgeschlagenen Lösung mit Rücksicht auf die Unsicherheit der Aufteilung des Gleichstromes nicht ohne erheblichen zusätzlichen Aufwand möglich ist, weshalb man dort getrennte Stromrichtereinrichtungen für jeden Motor vorgeschlaeen hat.

Bei Triebfahrzeugen kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung der zusätzlich erforderliche Transformator voll abgefedert im Fahrzeugrahmen untergebracht werden, so daß bei der Ausführung nach DT-PS 22 59 826 vorhandene Nachteil des schlechteren Laufes durch die vergrößerten Massen der Fahrmotoren bei gleicher Leistung vermieden wird. Als Fahrmotoren können dann konventionelle Drehstrommotoren von geringem Gewicht im Drehgestell bzw. Fahrzeugrahmen in Tatzlagerbauart vorgesehen werden. Das Mehrgewicht des Transformators gegenüber der vorgeschlagenen Anordnung liegt etwa im Rahmen der Gewichtsersparnis bei den Antriebsmotoren.

Die Gleichstromverluste in den Leitungen zwischen Stromrichter und Motoren werden vollständig vermieden. Die Motoren können mit normalen (3-phasigen) Drehstromanschlüssen angeschlossen werden, die bei der DT-PS 22 59 826 erforderlichen Rückleitungen entfallen daher, so daß bei diesen Leitungen ⁵/6 des Gesamtquerschnitts eingespart werden.

Als speisender Stromrichter kann erfindungsgemäß für jede der drei in Zick-Zack-Schaltung geschalteten Transformatorwicklungen ein Einrichtungsstromrichterstellglied dienen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß als Stromrichter für jede der in Zick-Zack-Schaltung geschalteten Primärwicklungen des Transformators jeweils eine von einer separaten Wicklung einer Stromrichtertransformators gespeiste 3n-pulsige Stromrichterbrückenschaltung dient, wobei η ganzzahlig ist. Dabei sind die Ausgänge der drei Stromrichterbrücken jeweils mit den Wicklungsenden oder in Zick-Zack geschalteten Primärwicklung des Transformators verbunden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß als Stromrichter für jede der in Zick-Zack geschalteten Primärwicklungen des Transformators eine separate 3n-pulsige Stromrichterschaltung dient, deren phasengleichen Eingänge parallel geschaltet sind. Dabei sind die Ausgänge eines jeden Stromrichter mit den beiden Enden jeweils einer in Zick-Zack geschalteten Primärwicklung des Transformators elektrisch verbunden.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus cem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. In diesem ist ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Anordnung in Anwendung bei einem Antrieb eines Triebfahrzeuges dargestellt.

In diesem Schema ist mit 1 der Stromrichtertransformator mit der Primärwicklung 10 und den Sekundärwicklungsgruppen 11,12 und 13 bezeichnet. Diese sind jeweils einseitig in Stern geschaltet. Die freien Enden der Wicklungen sind jeweils mit 3pulsigen Einrichtungsstromrichterstellgliedern 21 verbunden, die jeweils wenigstens drei Thyristoren aufweisen. Die Steuereinrichtung für die Thyristoren ist nicht dargestellt. Die Kathoden der Thyristoren jeweils eines Stellgliedes sind zusammengeschaltet und jeweils mit einem Wicklungseingang der einen Primärwicklung 301 bzw. 302 bzw. 303 des Zwischentransformators 3 verbunden.

Die Primärwicklung des Zwischentransformators 3 ist, wie oben ausgeführt, in Zick-Zack geschaltet und das freie Ende jeden Stranges der Primärwicklung ist mit dem Sternpunkt des zugehörigen Teiles der Sekundärwicklung ii bzw. i2 bzw. i3 des Netztransformators 1 verbunden. Die Sekundärwicklung des Zwischentransformators 3 ist in Stern geschaltet dargestellt. An die

freien Anschlüsse der Sekundärwicklung 31 bzw. 32 bzw. 33 des Zwischentransformators 3 sind die vier Drehstromfahrmotoren 41, 42, 43, 44 parallel angeschlossen.

. Antriebe für Rollgänge von Walzwerken sind in gleicher Weise, wie in obigem Ausführungsbeispiel dargestellt, aufgebaut, jedoch ist die Anzahl der gespeisten Motoren üblicherweise merklich größer, dort dargestellt.

Die mit der erf'indungsgemäßen Anordnung erzie Vorteile sind bei den beiden erwähnten Anwendung! bieten besonders gravierend. Sie läßt sich sei verständlich ebenso bei Industriebetrieben belieb Art in vorteilhafter Weise anwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

24 17 Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung oder Regelung der Geschwindigkeit einer aus einer Wechselstromquelle über eine steuerbare Ventile enthaltende Umrichterschaltung gespeiste Dreiphasen-Wechselstrommaschine, die für jede Phasenwicklung ein Einrichtungs-StromrichtersteHglied besitzt, die gemeinsam durch eine Steuereinrichtung derart gesteuert sind, daß drei von jeweils einem Gleichstrom überlagerte Wechselströme entstehen, die zusammen ein Drehfeldsystem bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Stromrichter-Stellgliedern und der elektrischen Maschine ein Mehrphasen-Zwischentransformator (3) geschaltet ist, dessen, von den Strornrichterstellgliedern gespeiste Primärwicklung (301 bis 303) in Zick-Zack-Schaltung und dessen die Ständerwicklung der elektrischen Maschine (41 bis 44) speisende Sekundärwicklung (31 bis 33) in Stern- oder Dreieckschaltung geschaltet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromrichterstellglieder für jede der Wicklungen des Zwischentransformators (3) jeweils eine von einer separaten Wicklung eines Stromrichtertransformators (1) gespeiste 3/?-pulsige Stromrichterbrückenschaltung dient, wobei η ganzzahlig ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromrichterstellglied für jede der Primärwicklungen (301 bis 302 bzw. 303) des Zwischentransformators (3) eine separate 3/j-pulsige Stromrichterschaltung dient, deren phasengleiche Eingänge parallel geschaltet sind.

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