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"Umrichteranordnung mit natürlich kommutierenden Stromrichtern zur
Erzeugung von Dreiphasenstrom1? Zur Erzeugung von Dreiphasenstrom und zur Steuerung
der Drehzahl von Asynohronmotoren sind zum Beispiel durch das Fachbuch von Hermann
und Stumpe,twThyristoreu, Eigenschaften und Anwendungen, Verlag Teubner 1969, Seiten
219 und 220 zwangskommutierte Direktumrichter mit Thyristoren bekannt, bei welchen
eine jede Phase eines eingangsseitigen Drehstromnetzes mit jeder Phase eines ausgangsseitigen
Dreiphasennetzes über eine Gegenparalleischaltung von je zwei Thyristoren verbunden
ist. Alle beteiligten Thyristoren sind in der Regel einzeln zwangsgelbscht, so daß
ein solcher Direktumrichter einen Maximalaufwand von insgesamt 36 Thyristoren darstellt.
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Nit einem solchen in den Ständerzuleitungen von Asynchronmotoren angeordneten
Thyristor-Direktuarichter lassen sich Reversierung, Bremsung und Ständerspannungssteuerung
kontaktlos ausführen und ferner kann bei Schleifringläufermotoren unter Verwendung
eines thyristorgesteuerten Widerstandes im Läuferkreis kontaktloser und stetig steuerbarer
Betrieb in allen vier Quadranten des Betriebsdiagramms erzielt werden.
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Der nachstehend beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Umrichteranordnung zur Erzeugung von Dreiphasenstrom zu schaffen, bei der die
Anzahl der insgesamt benötigten
Thyristoren erheblich geringer ist
als bei dem bekannten Direktumrichter, der Stellbereich der Frequenz aber zumindest
ebenso groß ist und auch eine stetige Vier-Quadranten-Steuerung möglich ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung von Dreiphasenstrom,
bestehend aus drei natürlich kommutierenden gesteuerten Stromrichtern, welche eingangsseitig*in
einem Stromkreis angeordnet sind, in welchem je zwei Stromrichter über mindestens
eine Kreisstromdrossel miteinander verbunden sind.
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Eine solche Anordnung ist durch die DT-OS 2 245 680 bekannt und wird
daselbst als kreisstrombehaftet bezeichnet. Bei der betreffenden Umrichteranordnung
fließt angeblich bei zwei von den drei Stromrichtern ein Kreisstrom in Ventilrichtung
und bei dem dritten Stromrichter entgegengesetzt zur Ventilrichtung. Dies setzt
offenbar voraus, daß der dritte Stromrichter stets mehr belastet wird als die beiden
übrigen Stromrichter durch den Kreisstrom belastet sind, so daß die Uznrichteranordnung
insgesamt eine unsymetrische Belastung erfährt und mit entsprechend großen Verlusten
behaftet wird.
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Hingegen wird der Erfindung gemäß die oben dargelegte Aufgabe dadurch
gelöst, daß die drei Stromrichfr ausgangsseitig gleichsinnig gepolt in dem Stromkreis
in Beihenschaltung angeordnet sind, und daß in diesem Stromkreis die Potentiale
gleichnamiger Pole der Gleichstromausgänge der drei Stromrichter durch Phasenanschnitt
der Phasenspannungen des Wechselstromnetzes mittels der Stromrichter, bei in bekannter
Weise nach einer vorgegebenen Funktion entsprechend der Ausgangswechselspannung
des Umrichters sich verändernden Steuerwinkeln, wobei die Stromrichter um eine Drittelperiode
der Ausgangswechselspannung gegenseitig phasenverschoben angesteuert sind, ein symetrisches
Dreiphasensystem und zugleich auch den Dreiphasenausgang der Umrichteranordnung
bilden, an welchem ein dreithasiger Terbraueher ansçhließbar ist0 * an ein Wechselstromnetcz
angekuppel- nnd ausgangsseitig
Die Stromrichter können in der Weise
gesteuert sein, daß die Frequenz und/oder die Amplitude des erzeugten Dreiphasenstromes
und der Wechselspannung am Dreiphasenansgang des Umrichters konstant ist bzw. verändert
wird. Frequenz und Amplitude können unabhängig voneinander regeltechnisch in bekannter
Weise nach vorgegebenen Soll funktionen, zum Beispiel wie bei einem Trapezumrichter
oder einem SteuerumrichXr (vergleiche bei Heumann/ Stumpe,'Thyristoren,Eigenschaften
und Anwendungen, S.122-127,Verlag Teubner 1968) sowie ferner nach dem Unterschwingungsverfahren
verändert werden (ve4¢eiche BBC-Nachrichten 46, S. 694-721). In jedem Falle aber
ist die Frequenz des Dreiphasensystems durch gewählte, jeweils gleichlange Halbperioden
vorgegeben, während welcher die Phasenspannungen des Nd3es mittels der drei Stromrichter
bei in Bezug aufeinander supplementären Steuerwinkeln angeschnitten sind. Ferner
ist die Amplitude der Phasenspannunç gen des ausgangsseitigen Dreiphasensystems
durch bei den drei Stromrichtern innerhalb eines Steuerbereiches gewählte und bei
aufeinanderfolgenden Halbperioden jeweils supplementäre Phasenschnitt-Steuerwinkel
vorgegeben.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind zur Erzeugung sinusförmiger
Dreiphasenspannungen Siebkreise, jeweils bestehend aus mindestens einer zwischen
zwei Stromrichtern angeordneten Kreisstromdrossel und einem zwei Phasen des Dreiphasensystems
verbindenden Kondensator, am Dreiphasenausgang des Umtrichters angeordnet.
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Die Erfindung ist auch noch dadurch weiter ausgestaltet, daß eine
derartige Umrichteranordnung eingangsseitig an einem mittels einer Batterie betriebenen
selbstgeführten Wechselrichter konstanter Frequenz angekuppelt ist.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Umrichteranordnung
mit Siebkreisen und mit
einem Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer
als Belastung am Dreiphasenausgang dargestellt und wird nachstehend beschrieben.
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Es sind bei der dargestellten Umrichteranordnung die Dreiphasen~ eingänge
von drei Einzelstromrichtern 1,2,3 an ein Drehstromnetz R, S, T über einen Drehstrom-Stromrichtertransformator
Tr angekuppelt. Die drei Stromrichter sind steuerbar, z.B. in DS-Brückenschaltung
mit je 6 Thyristoren, ausgeführt. Insgesamt enthält diese Anordnung nur achtzehn
Thyristoren. Die Gleichstromausgänge der dni Stromrichter 1,2, 3 sind gleichsinnig
gepolt in einem Stromkreis 4 in Reihe geschaltet, so daß in dem Stromkreis ein mit
I bezeichneter Strom die Stromrichter in Ventilrichtung durchfließt. Die Gleichstromausgänge
der Stromrichter sind miteinander durch je eine Kreisstromdrossel L12, L2D, L1 verbunden,
derart daß die Potentiale der negativen Pole der drei Gleichstro>usgänge zusammen
ein Dreiphasensystem Rt , St, Tt der Umrichteranordnung bilden. Der Stromkreis 4
ist überwiegend induktiv. Von den negativen Polen der Gleichstromausgänge der Stromrichte-r
gehen je zwei Phasenlastabgänge zu insgesamt drei im Dreieck geschalteten Ständerwicklungen
eines Asynchronmotors M mit einem nicht dargestellten Kurzschlußläufer ab. Am Dreiphasenausgang
der Umrichteranordnung sind drei Siebkreise, bestehend aus den drei in Reihe liegenden
Drosseln L12, L23 L31 und drei den Ständerwicklungen einzeln parallelgeschalteten
Kondensatoren C1 und C3 angeordnet. Die Siebkreise dienen in bekannter Weise dazu,
um sinusförmige Dreiphasen-Ausgangsspannungen der Umrichteranordnung verhalten.
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Die drei Stromrichter 1,2 und 3 werden mit Hilfe eines Steuersatzes
St auf Phasenanschnitt der Phasenspannungen des Drehstromnetzes R, S, T angesteuert,
und zwar derart, daß jeder Stromrichter halbperiodenweise abwechselnd einmal im
Gleichrichterbetrieb und einmal im Wechselrichterbetrieb arbeitet. Jedoch werden
die drei
Stromrichter gegenseitig um jeweils eine Drittelperiode
der Ausgangsspannung phasenverschoben in dieser Weise angesteuert, so daß gleichzeitig
zwei Stromrichter entweder im Gleichrichterbetrieb oder im Wechselrichterbetrieb
sind und der dritte Stromrichter im Wechselrichterbetrieb bzw. im Gleichrichterbetrieb
arbeitet. Hierdurch bilden bei einem mit einem dreiphasigen Verbraucher V1, V2,
V3 in Dreieck- oder in Sternschaltung belasteten Dreiphasenumrichter die Potentiale
B', St, T' der Stromrichterausgänge ein symmetrisches Dreiphasensystem. Es fließt
im Stromkreis 4 ein Kreisstrom I, und in dem Stromkreis ist die Summe aller Spannungen,
einschließlich der Spannungsabfälle an den Kreisstromdrosseln, stets Null.
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Werden wie im einfachsten Falle die drei Stromrichter jeweils bei
einem konstanten Steuerwinkel nach Art eines Trapezumrichters angesteuert, so sind
z.B. die Stromrichter 1 und 2 in einem Zeitbereich, welcher zwischen dem Zeitpunkt
des Umsteuerns von der Ansteuerung des Stromrichters 2 bei einem Steuerwinkel von
= - 150 O el (bezogen auf eine Periode des Drehstromnetzes RS1) auf eine Ansteuerung
bei einem Steuerwinkel von h - 150 Oel 2 30 Oel und dem Zeitpunkt des darauffolgenden
Umsteuerns des Stromrichters 1 bei einem Steuerwinkel von IL - 30 Oel = 1500 el
gemeinsam bei dem Steuerwinkel 30 ° el angesteuert und arbeiten im Gleichrichterbetrieb.
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Währenddessen ist der Stromrichter 3 bei einem Steuerwinkel von 150
el angesteuert und arbeitet im Wechselrichterbetrieb, da der Stromrichter 3 erst
nach dem Stromrichter 2, nämlich 120° el bezogen auf eine Periode des erzeugten
symmetrischen Dreiphasensysteis, von einer Ansteuerung bei 150 ° el auf eine solche
von 30 °el umgesteuert wird.
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Es sei X der zeitliche Mittelwert der Gleichspannung, welche einer
von den Stromrichtern im Gleichrichterbetrieb liefert2 und der betragsgleiche Mittelwert
der Gleichspannung, die ein Stromrichter im Wechselrichterbetrieb aufnimmt. Dann
liegt in dem angegebenen Zeitbereich an der Ständerwicklung und Lastphase V3 s
welche
dem Stromrichter 3 über die Drossel L31 parallelgeschaltet ist, eine Spannung mit
der in der Zeichnung angegebenen Polarität, welche in dem Zeitbereich einen Maximal-4
wert 4 / Uα erreicht. Dieser ergibt sich aus der Summe der von den Stromrichtern
1 und 2 gelieferten Spannungswerte 2 / Uo</ abzüglich der Spannungsabfälle 2.
31 / Uα / des Kreisstromes an den zwei Drosseln L12 und L25. Von dem 4 Spannungswert
3 / Uα/ an 3 zehen sich ab die Spannungsabfälle 1 U>/ des Kreisstromes
an der Drossel L 31 so daß am 3 Gleichstromausgang des Stromrichters 3 eine Spannung
mit dem Betrage / U/ = / UnZX/ anliegt. Die drei Kreisstromdrosseln L12 L23 L31
können auch als je zwei die Gleichstromausgänge der drei Stromrichter flankierende
Drosseln L' 12' 23' L'23, L 31s L 31 ausgestaltet sein.
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*) L '' 12 Es nimmt in dem betrachteten wie auch in den Zeitbereichen
einer Peiode des Dreiphasensystems, in welchen jeweils zwei Stromrichter im Gleichrichterbetrieb
gesteuert sind, der Kreisstrom im Stromkreis 4 jeweils zu. Hingegen nimmt der Kreisstrom
jeweils in den Zeitbereichen einer Periode des Dreiphasensystems ab, in welchen
wie in dem auf den vorangehend betrachteten folgenden Zeitbereich zwei Stromrichter
im Wechselrichterbetrieb gesteuert sind. Alle Spannungen an den Kreisstromdrosseln
haben dann entgegengesetzte Polarität.
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Eine Periode des Dreiphasensystems enthält insgesamt sechs solchr
Zeitbereiche, innerhalb welcher abwechselnd zwei jeweils andere von den drei Stromrichtern
im Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb gesteuert sind und der übrige dritte
jeweils im Wechselrichter- bzw. im Gleichrichterbetrieb gesteuert ist. An den Lastphasen
wird hierdurch eine Dreiphasen-4 wechselspannung mit einem Ve ktorbetrag 3 / Ua
/ erzeugt.
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Die drei Strorichter können auch wie Steuerumrichter gesteuert werden,
wobei die Steuerwinkel während der vorerwähnten Halbperioden derart verändert werden,
daß die usgangswechselspannung
z.B. angenähert sinusförmig verläuft,
und ferner auch 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 netzgeführt
durch das Drehstromnetz Rs S, T. Hittels der beschriebenen Umrichteranordnung kann
die Frequenz des Dreiphasensystems zwischen Null und etwa der halben Frequenz eines
Drehstromnetzes R, S, T praktisch stufenlos verstellt werden. Deshalb können damit
Antriebe auch im Schleichgang gefahren werden, so daß sich eine Verwendung für Positionierantriebe
erschließt. Außerdem können die Spannungen des Dreiphasensystems in der Amlitude
zwischen nahezu Null und Nennspannung verändert werden.
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Eine Umrichteranordnung gemäß der Erfindung kann auch aus drei gesteuerten
Einphasen-Stromrichtern, zum Beispiel in Mittelpunktschaltung, bestehen, die über
getrennte StromrichtertransformaS toren oder einem Transformator mit drei getrennten
Sekundärwicklungen an ein Einphasen-Wechselstromnetz angekuppelt sind. Es enthält
eine solche Anordnung insgesamt nur 6 Thyristoren. Die Ausgänge dieser Stromrichter
sind gleichsinnig gepolt in einem Kreis oder Ring 4 in Reihenschaltung angeordnet,
und es bilden in dem Stromkreis 4 die Potentiale gleichnamiger Pole der drei Stromrichterausgänge,
wenn dieselben miteinander durch mindestens je eine Kreisstromdrossel verbunden
sind, das Dreiphasensystem der Umrichteranordnung, an welchem z.B wieder die Ständerwicklungen
eines Asynchronmotors oder auch andere dreiphasige Verbraucher anschließbar sind
. Eine derartige an einem Einphasen-Wechselstromnetz angekuppelte Anordnung arbeitet
wie oben beschrieben.
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An Stelle eines Drehstromnetzes Ry Sg T oder eines Einphasennetzes
kann auch ein entsprechendes Wechselstromnetz mit Hilfe eines selbstgeführten Wechselrichters,
welcher eine Rechteck- oder Sinusspannung liefert und an einer Batterie betrieben
wird, geschaffen werden0 Mit dieser Ausführung, insbesondere unter Verwendung
eines
Mittelfrequenzwechselrichters und eines Kurzschlußläufers werden2 wie mit der oben
beschriebenen bekannten Anordnung mit drei Stromrichtern, Möglichkeiten erschlossen,
um bei batteriegespeisten Traktionssystemen für Elektro fahrzeuge das Leistungsgewicht
zu verringern. Hierzu trägt bei, daß die Anzahl der benötigten Thyristoren optimal
gering ist und auch das Zubehör für die Thyristoren entsprechend geringen Umfang
hat.