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Untersynchrone Stromrichterkaskade
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Die Erfindung bezieht sich auf eine untersynchrone Stromrichterkaskade
mit einer Asynchronmaschine, an deren Schleifringläufer ein Umrichter angeschlossen
ipt, der aup einem Gleichrichter mit Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung, einem
Gleichstromzwischenkreis mit einer Glättungsdrossel und mindestens einem Wechselrichter
mit eteuerbaren Ventilen in Drehstrom-Brücken-Pchaltung besteht, wobei der Wechselrichter
mit einer Primärwicklung eine Stromrichtertransfprmators verbunden iPt deren Sekundärwicklung
an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist.
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Eine untersynchrone Stromrichterkaskade der eingange genannten Art
ist aus der deutschen Patentschrift 1 638 646 bekannt. Bei dieter Stromrichterkaskade
wird der Ständer einer Asynchronmaschine über einen Eingangsschalter aus einem Wechselspannungsnetz
gespeist. Der Schleifringläufer ist über eine Anlaßschaltung mit Anlaßwiederstand
und Anlaßchalter mit einem Gleichrichter verbunden, der aup ungesteuerten Ventilen
in Drehstrom-Brükkenschaltung besteht. Der Gleichrichter ist seinerseite über einen
Gleichstromzwischenkreis, der in jeder Verbindungsleitung eine Glättungsdrossel
enthält, an eine Wechselrichterschaltung ngeeohlopen. Diese Wechselrichterschaltung
bePteht auP zwei Wechselrichtern mit steuerbaren Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung,
die über eine dreiphasige zweifunktionale Brückenschaltung aus ungesteuerten Ventilen
miteinander in Reihe geschaltet sind.
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Jeder Wechselrichter epeiet hierbei eine im Stern geschaltete Primärwicklung
eines Stromrichtertransformators. Dessen Sekundärwicklung ist Uber einen Ausgangsschalter
mit dem Wechselspannungsnetz verbunden. Zwischen den Wechselspannungsanschlußpunktes
des Gleichrichter und denen der zweifunktionalen Brückenschaltung bepteht noch eine
Schaltverbindung, in der ein mechanisch betätigbarer Schalter liegt. Wenn dieser
Schalter geschlossen ist, arbeiten zwei durch Umgruppierung entstandene Zwischenkreisumrichter
parallel auf die beiden Primärwicklungen de Stromrichtertransformators.
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Eine solche untersynchrone Stromrichterkaskade hat bestimmte Nachteile,
die ihre Anwendung in manchen Fällen in Frage stellen können. Der Gleichrichter
mit den ungecteuerten Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung arbeitet sechspulsig,
wodurch sich gewisse Rückwirkungen auf die Asynchronmaschine und das speisende Wechselspannungsnetz
ergeben. Im Läuferstrom sind infolge des sechspulsigen Betriebe Stromoberschwingungen
enthalten, deren Ordnungszahlen 5, 7, 11, 13, ... betragen. Diese Stromoberschwingungen
können pich störend auswirken. Die Beträge der beiden Stromoberschwingungen mit
den niedrigsten Ordnungszahlen 5 und 7 stehen zum Betrag des Grundschwingungsstroms
etwa-im Verhältnis 1/5 bzw.
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1/7; diese Stromoberschwingungen bilden alPo einen erheblichen Anteil
des Läuferstroms. Insbesondere diese relativ hohen Anteile der Stromoberschwingungen
mit den beiden niedrigsten Ordnungszahlen 5 und 7 führen bei bestimmten Drehzahlen
der Asynchronmaschine zu störenden Momentenpendelungen (vergl. Wiss. Z. Elektrotechn.
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(Leipzig) 9 (1967), Heft 4, Seiten 237 bis 256) und zu Ständerstrompendelungen
(Siemens-Zeitschrift 40 (1966), Beiheft "Motoren für industrielle Antriebe", Seiten
139 bis 146). Aus der soeben zitierten Literaturstelle in der Wiss. Z. Elektrotechn.,
Abbildung 3 auf Seite 249, ist zu entnehmen, daß die Momentenpendelungen von zwölffacher
Schlupffrequenz wesentlich geringer ind als die Momentenpendelungen von sechsfacher
Schlupffrequenz.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte untersynchrone
Stromrichterkaskade so auszugestalten, daß Momentenpendelungen
und
Ständerstrompendelungen, die auf Läuferstromoberschwingungen mit der Ordnungszahl
5 und 7 zurückzuführen sind, nicht mehr auftreten können.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß sich diese Aufgabe lösen
läßt, wenn zu zwölfpulsigem Betrieb tibergegangen wird.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einer Ausführungform
dadurch gelöst, daß der Schleifringläufer der Asynchronmaschiene an die Primärwicklung
eines Transformators mit zwei um 300 el gegeneinander versetzten Sekundärwicklungen
angeschlossen list, von denen die erste Sekundärwicklung mit einem ereten Gleichrichter
und die zweite Sekundärwicklung mit einem zweiten Gleichrichter jeweils mit Ventilen
in Drehstrom-Brückenschaltung verbunden ist.
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Die Versetzung der beiden Sekundärwicklungen um 300 el läßt sich einfach
dadurch erzielen, daß die eine Sekundärwicklung im Stern und die andere Sekundärwicklung
im Dreieck geechaltet ist. Prinzipiell ist es aber auch möglich, die eine Wicklung
im Stern und die andere im Zickzack zu schalten.
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Bei dieser untersynohronen Stromrichterkaekade arbeitet zwar jeder
der beiden Gleichrichter für sich sechspulsig. Infolge der gegenseitigen Versetzung
um 300 el, d.h. bei der genannten Weiterbildung infolge der unterschiedlichen Schaltung
der beiden Sekundärwicklungen, ergibt eieh jedoch bei Überlagerung der Ströme und
Spannungen im Transformator insgesamt ein zwölfpuleiger Arbeitsrhytmus. Bei einem
solchen zwölfpulsigen Betrieb sind die niedrigsten Ordnungszahlen der Oberschwingungen
im Läuferstrom 11 und 13. Oberschwingungen mit den Ordnungszahlen 5 und 7 treten
also nicht mehr auf. Mit weniger als 1/11 bzw. 1/13 ist dae Verhältnis dieser OberPchwingungen
zum Grundschwingungsstrom so gering, daß Pendelungen im Moment und Ständerstrom
nicht mehr merkbar sind.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird die genannte Aufgabe
erfindungsgemäß
auch dadurch gelöst, daß der Schleifringläufer der Asynchronmaschine an die Primärwicklungen
von zwei Transformatoren angeschlossen ist, daß die beiden Transformatoren so aufgebaut
sind, daß si um 300 el geeneinander versetzt arbeiten, und daß die Sekundärwicklung
dee ersten Transformators mit einem ersten Gleichrichter und die zweite Sekundärwicklung
mit einem zweiten Gleichrichter j'eweils mit Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung
verbunden ist. Auch hierbei ergibt sich ein zwölfpulsiger Betrieb, so daß merkbare
Pendelungen nicht mehr in Erscheinung treten.
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Bei diesen beiden Ausfdhrungsformen einer untersynchronen Stromrichterkaskade
läßt sich - wie bei der bekannten Kaskade - mittels Schaltgliedern eine Umgruppierung
der Ventile erreichen, bei der die Strombelaetung pro Ventil auf die Hälfte zurückgeht.
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Dadurch können Stromrichterventile mit geringerer Strombelaetbarkeit
verwendet werden. Eine solche Umgruppierung ist möglich, wenn zwischen den beiden
Wechselrichtern zwei miteinander in Reihe geschaltete zweifunktionale Brückenschaltungen
angeordnet sind, und wenn jeweils zwischen den Wechselspannungsanschlußpunkten eines
Gleichrichters und denjenigen einer dieser Brückenschaltungen eine Schaltverbindung
heretellbar ist. In beiden Schaltverbindungen liegt ein Schaltglied, z0B. ein mechaniech
betätigbarer Schalter. Bei geöffneten Schaltern sind die BrUckenschaltungen' als
einfache Schaltverbindungen anzusehen. Beide Schaltglieder werden bei höheren Drehzahlen
gleichzeitig geechlovsen. Die Brückenschaltungen Ubernehmen dann die Funktion zweier
Drehstrom-Brückenschaltungen.
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Eine dritte Ausführungsform zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch
aus, daß der Schleifringläufer der Asynchronmaschine an die Hauptwicklung eines
dreiphasigen Spartransformators mit 150 Zipfelung angeschlossen ist, der zwei um
300 el gegeneinander versetzte dreiphasige Spannungssysteme abgibt, daß mit den
das erste Spannungssystem abgebenden Zipfelwicklungen ein erster Gleichrichter und
daß mit den das zweite Spannungssystem abgebenden Zipfelwicklungen ein zweiter Gleichrichter
jeweils mit Ventilen
in Drehstrom-Brückenschaltung verbunden ist,
und daß jedem Gleichrichter Uber einen Gleichstromzwischenkreis ein Wechpelrichter
nachgeschaltet list.
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Auf zwei Vorteile der Erfindung sei noch besondere hingewiesen: a)
Während bei der bekannten untersynohronen Stromrichterkaekade nach der Dm-PS 1 638
646 eine Anpassung des Umrichter an den Läuferstrom und die Läuferspannung meist
nur dadurch erfolgen kann, daß sowohl Reihen- ale auch Parallelschaltungen von Halbleiterbauelementen
pro Ventil ausgeführt werden, sind infolge des Einsatzes eines oder zweier Transformatoren
bessere Anpaesungsmöglichkeiten des Umrichterp an die Läuferdaten gegeben, was vor
allem bei höchsten Leistungen von Bedeutung ist. Mit Hilfe deP oder der Transformatoren
kann nämlich der Umrichter an die Läufergrößen so angepaßt werden, daß entweder
nur eine Reihenschaltung oder nur eine Parallelschaltung von Halbleiterbauelementen
(Thyristoren, Dioden) pro Ventil der einzelnen Stromrichter (Gleichrichter, Wechselrichter)
ausgeführt werden muß. Bei der Ausführungsform mit Spartraneformator gilt dieser
Vorteil nur in eingeschränktem Maße.
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b) Um den Umrichter der nach der DT-PS 1 638 646 bekannten untersynchronen
Stromrichterkaskade nicht für die volle Stillstandsspannung bemessen zu müssen,
wird dort zum Anfahren ein dreiphasiger Anlaßwiderstand Uber einen Anlaßschalter
an die Schleifringe angeschlossen. Der AnlaßwiderPtand kann vorliegend entfalten,
wenn bei einem der Gleichrichter in den Drehstromzuleitungen vom Transformator ein
mechanischer Anlaßschalter eingebaut ist. Dieser ist im Anfahrbetrieb geöffnet.
Dann gelangt nur die halbe Läuferspannung an den Umrichter. Die Ventile können fUr
entsprechend niedrige Spannung dimensioniert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von
drei Piguren, in denen Drehstromantriebe mit untersynchroner Stromrichterkaskade
dargestellt sind, näher erläutert.
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Nach Figur 1 ist an ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz 1 Uber
einen
Eingangsschalter 2 der Ständer 3 einer Asynchronmaschine 4 mit einem Schleifringläufer
5 angeschlossen. Die Schleifring sind mit der im Stern geschalteten Primärwicklung
8 eines Transformators 10 verbunden0 Die Asynchronmaschine 4 kann z.B. zum Antrieb
einer Pumpe oder eine Leiters vorgesehen sein.
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Der Transformator 10 besitzt zwei dreiphasige Sekundärwicklungen
11 und 12. Die erete Sekundärwicklung 11 ist im Stern und die zweite Sekundärwicklung
12 ist im Dreieck geschaltet. ie drei Teilwicklungen der ersten Sekundärwicklung
11 sind-an die Weehselspannungsanschlußpunkte eines ersten Gleichrichters 13 angeschlossen,
der aus ungesteuerten Ventilen 15, 17 in Drehstrom-Brückenschaltung besteht Entsprechend
ist die zweite Sekundärwicklung 12 an die Wechselspannungsanschlußpunkte eises zweiten
Gleichrichters 14 angeschlossen, der ebenfalls aus ungesteuerten Ventilen 16, 18
in Drehstrom-Brückenschaltung besteht. Die beiden Gleichrichter 13 und 14 sind Uber
eine Verbindungsleitung 20 miteinander in Serie geschaltet.
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Zwischen der Sekundärwicklung 12 und dem zweiten Gleichrichter 14
liegt ein Anlaßschalter 6. Der Anlaßschalter 6 ist nur während des Anfahrvorganges
offen. Es wird etwa bei Erreichen der halben Synchrondrehzahl, d.h. halber Stillstandsspannung,
geschlossen.
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Die beiden Sekundärwicklungen 11 und 12 wirken wie zwei Spannungsquellen,
deren Drehspannungssysteme gegeneinander um 300 el versetzt sind.-Die Sternschaltung
der ersten Sekundärwicklung 11, die Dreieckechaltung der zweiten Sekundärwicklung
12 sowie die Serienschaltung der beiden Gleichrichter 12, 14 bewirkt, daß sich ein
zwölfpulsiger Betrieb ergibt. Hierdurch ist gewährleistet, daß die beiden niedrigPten
Ordnungszahlen der Oberschwingungen im Läuferstrom 11 und 13 sind. Oberschwingungen
der Ordnungszahlen 5 und 7 treten alPo nicht auf. Das Betragsverhältnis der beiden
Stromoberschwingungen mit den Ordnungszahlen 11 und 13 zum Grundschwingungsstrom
beträgt etwas weniger als 1/11 bzw. 1/13. Diese Verhältnisse sind so gering, daß
ich beim Betrieb der Stromrichterkaskade Pendelungen im Drehmoment und im Ständerstrom
praktisch nicht bemerkbar machen.
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Nach der Figur 1 ist an die beiden Gleichrichter 13, 14 ein Gleichstromzwischenkreis
angeschlossen, der in jeder VerbindungPleitung eine Glättungsdrossel 21 bzw. 22
enthält.
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Zwischen den beiden Verbindungsleitungen des Gleichstromzwischenkreise
liegt eine aus vier Komponenten bestehende Reihen schaltung.
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Sie umfaßt einen ersten Wechselrichter 25, eine erste zweifunktionale
Brückenschaltung 27, eine zweite zweifunktionale BrEckenschaltung 28 und einen zweiten
Wechselrichter 26, und zwar in der angegebenen Reihenfolge. Der erste Wechselrichter
25 enthält steuerbare Ventile 31, 33, insbesondere Thyristoren, in DrehPtrom-BrUckenschaltung.
Entsprechend enthält auch der zweite Wechselrichter 26 steuerbare Ventile 32, 34,
insbesondere Thyristoren, in Drehstrom-Brückenschaltung. Die erste zweifunktionale
BrUckenschaltung 27 umfaßt ungesteuerte Ventile 35, 37 in Drehstrom-Brückenschaltung,
und die zweite zweifunktionale BrUckenschaltung 26 umfaßt ebenfalls ungesteuerte
Ventile 36, 38 in Drehstrom-Brückenschaltung. Die Bezugs zahlen der Ventile beziehen
sich hierbei jeweils auf eine Brückenhälfte.
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An den Wechselspannungsanschlüssen des eraten Wechselrichters 25 liegt
eine erPte dreiphasige Primärwicklung 41 eines Rückspeise-oder Stromrichtertransformators
40. Die drei Teilwicklungen sind im Stern geschaltet. An den Wechselspannungsanschlüssen
des zweiten Wechselrichters 26 liegt-eine zweite dreiphasige Primärwicklung 42 des
Stromrichtertransfomators 40. Ihre drei Teilwicklungen sind im Dreieck gePchaltet.
Die im Stern geechaltete Sekundärwicklung 45 des Stromrichtertransformators 40 kann
Uber einen Rückspeiseschalter 46 an das dreiphasige Wechselspannungsnetz 1 angesohaltet
werden. Die Sekundärwicklung 45 kann aber auch an die Leitung zwischen Eingangsschalter
2 und Ständer 3 angeschlossen sein.
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Infolge der unterschiedlichen Schaltungen der drei Teilwicklungen
jeder der beiden Primärwicklungen 41, 42 ergibt eich eine Phasenversetzung um 300
el. Dadurch arbeiten die beiden Wechselrichter 25, 26 insgesamt gesehen zwölfpulsig,
was zu einer Redusierung
unerwünschter Rückwirkungen führt.
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Zwischen den drei Wechselspannungsanschlußpunkten des ersten Gleichrichters
13 und den drei Wechselspannungsanschlußpunkten der zweiten zweifunktionalen Brückenschaltung
28 besteht eine Schaltverbindung 51. In dieser liegt ein Schalter 53. Entsprechend
besteht auch zwischen den drei Wechselspannungsanschlußpunkten des zweiten Gleichrichters
14 und den Wechselspannungsanschlußpunkten der ersten zweifunktionalen Brückenschaltung
27 eine Schaltverbindung 52, in der ein Schalter 54 liegt. Aus der Figur ist ersichtlich,
daß sich die beiden Schaltverbindungen 51, 52 kreuzen. Die beiden Schalter 53, 54,
die insbesondere mechanische Schalter sein können, werden gleichzeitig betestigt.
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Wenn die beiden Schalter 53 und 54 geöffnet eind, ind die beiden Wechselrichter
25, 26 zueinander in Reihe geschaltet. Die beiden zweifunktionalen Brtlckenschaltungen
27, 28 haben dabei lediglich die Funktion der Stromleitung. Diese Schaltstellung
nehmen die Schalter 53, 54 bei niedrigen Drehzahlen ein.
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Werden bei höheren Drehzahlen beide Schalter 53, 54 gleichzeitig geschlossen,
so ergibt sich eine Umgruppierung der Teilstromrichter des Umrichter. Hierbei teilt
sich der Strom, der in den Sekundärwicklungen 11 und 12 des Transformators 10 fließt,
in den Wechselspannungsanschlußpunkten der Gleichrichter 13 und 14 in' zwei gleiche
Hälften auf. Er fließt dann nur mit halber Größe in allen Teilstromrichtern. Die
Stromhalbierung ist flir die Auslegung der einzelnen Ventile von wesentlicher Bedeutung.
Die Brückkenschaltungen 27,.28 haben im geschlossenen Zustand der Schalter 53, 54
die Funktion'von Gleichrichtern in Drehstrom-Brückenschaltung.
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Figur 2 zeigt in einer Teildarstellung eine weitere Ausführungsform
einer untersynchronen Stromrichterkaekade. Im Gegensatz zu Figur 1 ind hier zwei
getrennte Transformatoren 10a, 10b vorgesehen. Die beiden Transformatoren 10a und
10b aind Po aufgebaut, daß sie um 30 0el gegeneinander versetzt arbeiten. Dazu iPt
der
Schleifringläufer 5 der Asynchroamapchine 4 an die Primärwicklung
8a des ersten Transformators 10a und gleichzeitig auch an die Primärwicklung 8b
des zweiten Transformators 10b angeschlossen.
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Beide Primärwicklungen 8a und 8b sind im Stern geschaltet. Die Sekundärwicklung
11a dee ersten Transformators 10a ist im Stern und die Sekundärwicklung lib des
zweiten Transformators 10b ist im Dreieck geschaltet. Die Sekundärwicklung 11a iet
mit einem ersten Gleichrichter 13 und die zweite Sekundärwicklung lib iet mit dem
zweiten Gleichrichter 14 verbunden. Abweichend von Figur 1 liegt der Anlaßschalter
6 hier in der Verbindung zwischen der ersten Sekundärwioklung lis und dem ereten
Gleichrichter 13.
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Der weitere Schaltungsaufbau entPpricht demjenigen von Figur 1 und
ist daher nicht näher dargePtellt. Auch hierbei ergibt sich eine zwölfpulsige Rückwirkung
auf die Asynchronmaschine 4.
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Nach einer dritten Ausführungsform gemäß Figur 3 wird eine zwölfpulsige
Rückwirkung auf die Asynchronmaschine 4 mit Hilfe eine dreiphasigen Spartransformators
10d erzielt, der mit einer 15°-Zipfelung versehen ist. Der Spartransformator 10d
ist als Zeigerdiagramm auffaßbar. Die Hauptwicklung des Spartransformators 10d ist
im Stern geschaltet. Der Spartraneformator 10d enthält insgesamt sechs Zipfelwicklungen.
Je zwei dieser Zipfelwicklungen sind an ein Ende eine Strangee der Hauptwicklung
angeschlossen. Jede Zipfelwicklung liegt einem Strang der Hauptwicklung parallel.
In Figur 3 repräsentieren die Längen der einzelnen Wicklungen gleichzeitig die Höheder
Spannungen. Die Richtungen der Wicklungen stimmen mit der elektrischen Richtung
Uberein. DaP dargestellte Zeigerdiagramm läßt ich mit vorgegebenen Spannungsübersetzungsverhältnissen
erzielen. An die Enden der Zipfelwicklungen ind die Gleichrichter 13 und 14 angeschlossen.
Dabei ist darauf geachtet worden, daß die AnschlUsse symmetrisch vorgenommen worden
sind. Des heißt, daß der Gleichriohter 13 im Umlaufsinn an die Jeweils erste und
der Gleichriohter 14 im Umlaufen an die jeweils zweite Zipfelwicklung angeschlossen
ist. Die drei ersten Zipfelwicklungen und die drei zweiten Zipfeiwicklungen geben
je ein Spannungssystem
ab, die um 30°el gegeneinander versetzt
sind.
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Die beiden Spannungssysteme speisen die beiden Gleichrichter 13, 14,
zwischen denen gleichstromseitig keine Verbindung besteht.
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Jedem Gleichrichter 13, 14 ist Uber einen eigenen Gleichstromzwischenkreis
mit einer Glättungsdrossel 21 bzw. 22 ein Wechselrichter 25 bzw. 26 nachgeschaltet.
Diese speisen die Primärwicklungen 41 bzw. 42 eines Stromrichtertransformators 40,
dessen Sekundärwicklung 45 an ein Spannungsnetz angeschlossen ist.
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3 Figuren 8 PatentansprUche