DE2455765C2 - Vorrichtung zur stufenlosen Steuerung oder Regelung der Drehzahl und/oder des Drehmoments einer Drehstrom-Asynchronmaschine - Google Patents

Description

der gattungsgemäßen Art die Kommutiemngskreise weitgehend unabhängig von der Induktivität der Drehstrommaschine ausbilden zu können und Schwierigkeiten bei einem raschen Lastwechsel auszuschließen.

Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst

Die Rückführung der Übeischußenergie in das Drehstromnetz und die dadurch in einfacher Weise mögliche Begrenzung der induzierten Maschinenspannung auf einen vorgegebeiijn Wert verhindern nicht nur das Auftreten hoher Sperrspannungen an den Stromrichterventilen, wodurch diese nicht für eine erhöhte Sperrspannung dimensioniert zu werden brauchen. Durch eine solche Spannungsbegrenzung können auch Kommutierungskondensatoren verwendet werden, die nicht an die Streuinduktivität der Maschine, sondern im wesentlichen an die Freiwerdezeit der Thyristoren des Wechselrichters angepaßt sind, weil der stromabhängige Energiegehalt der Streuinduktivität der Maschine, der bei den bekannten Zwischenkreisumrichtern mit eingeprägtem Strom die Erhöhung der Spannung der Kommutierungskondensatoren verursacht, sich wegen der Begrenzung der Maschinenspannung auf einen vorgegebenen Wert nicht mehr an den Kommutiervngskondensatoren spannungserhöhend auswirken kann. Damit ist aber auch der Zusammenhang zwischen der Größe der Kommutierungskondensatoren und der Größe der Streuinduktivität der Maschine beseitigt Von Vorteil ist jedoch nicht nur der Wegfall der Notwendigkeit einer Anpassung des Zwischenkreisumrichters an Maschinen mit unterschiedlicher Streuinduktivität Durch eine Anpassung der Kommutierungskondensatoren an die Freiwerdezeit der Thyristoren des Wechselrichters ergibt sich auch der Vorteil, daß der Kommutierungsvorgang in einer wesentlich kürzeren Zeit durchgeführt werden kann, wodurch sich höhere Betriebsfrequenzen und damit höhere Drehzahlregelbereiche erzielen lassen. Weiterhin führt die erfindungsgemäße Lösung zu geringeren Schaltverlusten der Thyristoren, einem besseren Leistungsfaktor und einer geringeren Verlustenergie. Diese Vorteile überwiegen bei weitem den relativ geringen, für die Spannungsbegrenzung und Rückführung der Oberschußenergie in das Drehstromnetz erforderlichen Aufwand. Die Bauelemente des Gleichrichters und des zweiten Wechselrichters sind im Vergleich zu den Hauptventilen des Zwischenkreisumrichters sehr klein. Außerdem ermöglicht die Verwendung des Schutzumrichters Einsparungen bei den Hauptventilen des Zwischenkreisumrichters. den Löschventilen und den ICommutierungskondensatoren. Hinzu kommt noch die Vergrößerung des Drehzahlbereiches und damit der Anwendungsmöglichkeiten.

Es ist an sich bekannt (DE-OS 21 47 317. BBC-Druckschrift »Regelbare Drehstromantriebe großer Leistung«) zum Scnut7e der Ventile von Halbleiterstromrichtern gegen Überspannungen oder zur Rückgewinnung einer Regelverlustleistung Energie ins Netz zurück? uspeisen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Drehstromklemmen des weiteren Wechselrichters über einen Trenntransformator mit den Drehstrornklemmen des netzgeführten Stromrichters verbunden. Hierdurch kann in einfacher Weise der zweite Wechselrichter an das Drehstromnetz angekoppelt werden.

In der Regel wird es zweckmäßig sein, für den weiteren Wechselrichter eine Brückenschaltung vorzusehen. Es ist aber auch möglich, ihn in einer Sternschaltung, also dreipufsig, auszuführen, wodurch nur die halbe Anzahl von Thyristoren erforderlich wird.

Um die Kommutierungskondensatoren so klein wie möglich zu halten, sind diese bei einer bevorzugten Ausführungsform in ihrer Kapazität nur auf die Freiwerdezeit einschließlich der Schonzeit der Thyristoren des selbstgeführten Wechselrichters abgestimmt

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführtingsbeispiels im einzelnen erläutert Die einzige Figur zeigt ein unvollständig dargestelltes Schaltschema.

Zur stufenlosen Drehzahlregelung einer Drehfeldmaschine I, bei tier es sich im Ausführungsbeispiel um eine Asynchronmaschine handelt sowohl in beiden Drehrichtungen als auch im Motor- und im Generatorbereich ist ein Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis vorgesehen, dessen Eingang über Drosseln 2 an das Drehstromnetz anschließbar ist und an dessen Ausgang die Drehfeldmaschine 1 angeschlossen wird. Mit den Drosseln 2 ist der Eingang eines netzgeführten Stromrichters 3 verbunden, der aus sechs Thyristoren η 1 bis π6gebildet wird.^r .«& Zündschaltung des Stromrichters 3 ist niehl dargcsteül da sie in bekannter Weise ausgebildet sein kann. An die Gleich-Stromseite des Stromrichters 3 schließt sich ein Gleichstromzwischenkreis 4 an. in dem ein induktiver Energiespeicher 4'Iiegt

Der Gleichstromzwischenkreis 4 verbindet den Stromrichter I mit einem selbstgeführten Wechselrichter 5, der aus sechs Thyristoren nil bis π 16 aufgebaut ist Diese Thyristoren sind in entsprechender Weise wie diejenigen des Stromrichters 1 angeordnet jedoch mit umgekehrter Durchlaßrichtung, wie dies die Figur zeigt. An den Ausgang des Wechselrichters 5 ist die Drehfeldmaschine 1 angeschlossen. Die Zündschaltung des

Wechselrichters ist nicht dargestellt da sie in bekannter Weise ausgebildet sein kann und für die Erläuterung der Erfindung ohne Bedeutung ist. Der Wechselrichter 5 weist eine Kommutierungsein-

richtung 6 auf, die sechs Thyristoren π 21 b:s η 26 enthält Diese sind entsprechend den Thyristoren π 11 bis η 16 paarweise jeder Phase zugeordnet und an den ZwischeJcreis angeschlossen. Die Verbindungsstelle zwischen den Thyristoren nil und η 14 ist mit der Verbindungssteile zwischen den Thyristoren π 21 und π 24 über einen Kondensator * 1 verbunden. Entsprechend sind die Verbindungsstellen der übrigen Paare von Thyristoren über Kondensatoren Vt 2 und λ 3 miteinander verbunden.

Der gesamte Steuerungsteil des Zwischenkreisumrichters einschließlich der erforderlichen Istwert- und Sollwertgeber sowie der Regler ist in der Figur nicht dargestellt und im folgenden auch nicht erläutert, da dies zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung nicht notwendig ist.

Um rasche Laständerungen, wie sie beispielsweise beim Übergang vor ι Motor- in den Gener<»'orbetrieb auftreten können, ohne eine Überbeanspruchung der Thyristoren des Wechselrichters 5 und der Löschthyristören π 21 bis π 26 der Kommutierungseinrichtung durchführen /u können, sowie den Zwischenkreisumrichter nicht an Drehfeldmaschinen unterschiedlicher Streuinduktivitäten anpassen zu müssen, ist an den Ausgang des Wechselrichters 5, an dem die normalerweise sinusförmige, induzierte Spannung der Drehfeldmaschine 1 auftritt, ein aus sechs Dioden /7 41 bis π 46 aufgebauter Gleichrichter / angeschlossen, der die gleichgerichtete Maschinenspannung als Gleichspannung in ei-

nen Gleichspannungszwischenkreis 8 einspeist, welcher eine Drossel 9 aufweist. Ein am Ausgang des Gleichrichters 7 liegender Kondensator 10 glättet die Zwischen· kreisspannung. Der Kondensator 10 gibt seine Energie Ober die Drossel 9 an einen netzgeführten, weiteren Wechselrichter 12, der im Ausführungsbeispiel aus sechs Thyristoren π 31 bis π 36 aufgebaut ist, ab. Eine nicht dargestellte, in bekannter Weise ausgebildete Zündschaltung, die durch das Drehstromnetz synchronisiert wird, liefert die Steuerspannung, mit der der Zündwinkel der Thyristoren π 31 bis π 36 eingestellt wird. Diese Einstellung erfolgt so, daß sich im Gleichspannungszwischenkreis eine der gewünschten maximalen induzierten Spannung entsprechende Zwischenkreisspannung ausbildet.

Überschreitet die von der Drehfeldmaschine 1 induzierte Spannung nach der Gleichrichtung mittels des Gleichrichters 7 den mittels des weiteren Wechselrichters vorgegebenen, am Kondensator 10 liegenden Wert, dann fließt ein Strom durch die Drossel 9 in den weiteren Wechselrichter 12 und von diesem über den Trenntransformator 11 in das Drehstromnetz zurück. Hierdurch wird ein Ansteigen der induzierten Maschinenspannung über den eingestellten Schwellwert hinaus verhindert und die dabei auftretende Überschußenergie in das Drehstromnetz zurückgeliefert.

Durch die Begrenzung der induzierten Maschinenspannung werden auch die Kommutierungsüberspannungen begrenzt. Die Breite der Kommutierungsspannungsspitzen richtet sich im wesentlichen nach der Größe der Kommutierungskondensatoren kt bis Ar3, die wegen der Spannungsbegrenzung so klein gewählt werden können, daß die Phasensprungspannung, d. h. die Ladungsänderung an den Kommutierungskondensatoren, in etwa derjenigen Zeit durchlaufen wird, welche

to die Thyristoren nil bis η 16 des Wechselrichters 5 als Freiwerdezeit plus Schonzeit haben. Daher werden die Anstiegs- und Abfallflanken des Maschinenstromes wesentlich steller, so daß eine bessere Stromnutzung, insbesondere bei höheren Betriebsfrequenzen, möglich ist.

ι s Selbstverständlich wäre es möglich, den die Spannung begrenzenden und die Überschußenergie in das Drehstromnetz zurOckführenden Schutzumrichter dreipulsig aufzubauen. Der weitere Wechselrichter 12 würde dann beispielsweise eine Sternschaltung erhalten, wodurch

die thyristoren π 34 bis π36 eingespart werden könnten. In diesem Falle müßte der negative Strang, von der Zwischenkreisinduktivität 9 kommend, auf den Sekundärsternpunkt des Trenntransformators 11 geführt werden. Die Zwischenkreisdrossel 9 müßte natürlich an den dreipulsigen Aufbau angepaßt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 - aufwendige Anpassung des Zwischenkreisumrichters an Patentansprüche: unterschiedliche Maschinen zur Folge hat. Zum anderen treten bei raschen Laständerungen, z. B. einer steilen

1. Vorrichtung zur stufenlosen Steuerung oder Drehmomentabsenkung oder einer Drehmomentum-Regelung der Drehzahl und/oder des Drehmomen- 5 kehr, vorübergehend Spannungsspitzen erhebGcher tes einer Brehstrom-Asynchronmaschine mit einem Größe der von der Drehstrommaschine induzierten die Drehstroni-Asynchronmaschine aus einem Spannung auf. Die Folge ist eine entsprechend hohe Drehstromnetz speisenden, einen netzgeführten Aufladung der Kommutierungskondensator^n. Außer-Stromrichter, einen Gleichstromzwischenkreis mit dem kann der Phasensprung der Zwischenkreisspaninduktivem Energiespeicher und einen selbstgeführ- 10 nung sich beachtlich vergrößern. Die Stromrichterventiten Wechselrichter mit einer Lösch-Thyristoren und Ie. insbesondere diejenigen des Löschkreises, werden Komnratierungskondensatoren für je eine Phasen- daher während rascher Laständerungen in Sperrichtung wicklung der Drehstrom-Asynchronmaschine ent- wesentlich stärker als sonst beansprucht Sofern man haltenden Kommutierungseinrichtung aufweisen- verhältnismäßig rasche Laständerungen nicht ausschlieden Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem vs Ben kann oder will, müssen deshalb entweder Strom-Strom im Zwischenkreis und einem an die Aus- richterventile mit entsprechend hohen Sperrspannungangsklemmen des Wechselrichters angeschlosse- gen verwendet werden, oder es müssen die Kommutienen Gleichrichter, dadurch gekennzeich- rungskondensatoren so groß gewählt werden, daß gen e t. daß die Gleichstromklemmen des Gleichrich- fährliche Spannungsspitzen in der Maschinenspannung ters (7)§ber einen eine Längsinduktivität (9) aufwei- 20 und damit auch Kondensatorspannungen, die für die senden Gleichspannungszwischenkreis (8) mit einem Sperrfähigkeit der Stromrichterventile gefährlich werweiteren, an das Drehstromnetz angeschlossenen, den können, vermieden werden. Mit einer Vergrößenetzgeführten Wechselrichter (12) verbunden ist, rung der Kommutierungskondensatoren werden aber dessen Zündwinkel so eingestellt wird, daß die indu- die zeitlichen Abstände zwischen der Löschung der eizierte Maschinenspannung auf einen mit Rücksicht 25 nen Phase und der Stromübernahme durch die nächste auf die Spannung an den Kunmutieningskondensa- Phase größer. M39 erreicht daher bald die Grenze der toren (JtI, Jt 2, Jt 3) maximal zulässigen Wert be- oberen Betriebsfrequenz. Außerdem werden bei einer grenzt wird. solchen Dimensionierung der Kommutierungskonden-

2 Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- satoren die Lösch-Thyristoren mit einem beachtlichen

zeichnet, daß die Drehstromklemmen des weiteren 30 Strom- Effektivwrt belastet

Wechselrichters (12) über einen Trenntransformator Bei der bekannten Vorrichtung der eingangs genann-

(11; mit den Drehstromkle. men des netzgeführten ten Art (Lancer 44 XL Drive der Louis AIHs Comp,

Stromrichters (3} verb-inden sind Wise. USA) sind an den Gleichstromausgang eines an

3. Vorrichtung nach einem er Ansprüche 1 oder der Maschinenspannung liegenden Gleichrichters ohm-2. dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wech- 35 sehe Widerstände angeschlossen, in denen die über den se!richter(12)in Drehstrombrückenschaltungausge- Gleichrichter abgeführte Energie in Wärme umgesetzt führt ist wird. Die Wirkung dieses Gleichrichters mit der nachge-

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. schalteten ohmschen Last ist daher maschinenspandadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wechsel- nungsabhängig. führt also nicht zn einer Begrenzung rieht er (12) in Sternschaltung ausgeführt ist 40 der Maschinenspannung auf einen vorgegebenen Wert

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Wegen der spannungsabhängigen Wirksamkeit ist eine dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierung*- solche Schaltung für eine Verringerung der Abhängigkondensatoren (k 1 bis k 3) in ihrer Kapazität nur auf keit der Kommutierungskreise von der Induktivität der die Freiwerdezeit einschließlich der Schonzeit der Drehstrommaschine nicht brauchbar, da die durch die Thyristoren (n\\ bis π 16) des selbstgeführten 45 Streuinduktivität der Maschine in den Kommutierungs-Wechselrichters (5) abgestimmt sind. kreis eingebrachte Energie und damit die Spannung der

Kommutierungskondensatoren von der Größe des Ma-

schinenstromes abhängig ist.

Eine Verminderung der Abhängigkeit der Kommutie-

so rungskreise von der Induktivität der Drehstrommaschi-

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem «ne läßt sich auch nicht mit der bekannten Vorrichtung

Oberbegriff des Anspruches 1. Eine Vorrichtung dieser nach der DE-PS 15 13 518 erzielen, die sich von derjeni-

Art ist bekannt (Lancer 44 XL Drive der Louis AIHs gen der eingangs genannten Art dadurch unterscheidet.

Comp, Wise, USA). daß statt des an die Ausgangsklemmen des Wechselrich-

Beim Betrieb einer Drehstrom-Asynchronmaschine 55 ters angeschlossenen Gleichrichters mit nachgeschaltean einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem ter ohmscher Last zwischen den Gleichstromklemmen Strom muß zum einen berücksichtigt werden, daß die des Wechselrichters ein Überbrückungsventil gelegt ist. erforderlichen Kommutierungskondensatoren eine Abgesehen davon, daß durch tin derartiges Überbrükstromabhängige Ladung erhalten, da sie mit der Indukti- kungsventil ein Betrieb der Maschine nur in einem Quavitat der mit ihnen in Reihe liegenden Phase der Masehi- 60 df amen möglich ist, weil bei einer Df ehmomentumkehr ne einen Kommutierungskreis bilden. Die Kommutie- der Zwischenkreis kurzgeschlossen werden würde, kann rungskondensatoren müssen daher bei Zwischenkreis- mit dieser Schaltungsanordnung nur ein Überspanumrichtern mit eingeprägtem Strom, wie sie beispiels- nungsschutz der Wechselrichterventile erreicht werden, weise in dem Lehrbuch Heumann/Stumpe »Thyristo- nicht aber eine Verminderung der stromabhängigen ren«, Seiten 198/199, in Siemens-Zeitschrift 1971, Seiten 65 Aufladung der Kommutierungskondensatoren.
bis 182 und 209 bis 211 oder in der DE-AS 15 13 518 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorbeschrieben sind, auf die wirksame Streuinduktivität des richtung zu schaffen, die es gestattet, bei einer Dreh-Motors abgestimmt werden, was eine verhältnismäßig · zahl- und/oder Drehmomentregelung oder -steuerung