DE2656762A1

DE2656762A1 - Stromrichteranordnung

Info

Publication number: DE2656762A1
Application number: DE19762656762
Authority: DE
Inventors: Sten Dipl Ing Elvin
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1975-12-29
Filing date: 1976-12-15
Publication date: 1977-07-07
Also published as: SE396516B; US4104537A; SE7514669L

Description

Stromrichteranordnung

Die Erfindung Dezieht sich auf eine Stromrichteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist bekannt, 3ede von zwei Lasten durch ihren zugeordneten Stromrichter zu speisen, wobei die Stromrichter mit einer Phasenverschiebung untereinander arbeiten. Durch die Phasenverschiebung wird die Wechselstromkomponente in dem der Stromquelle entnommenen Strom geringer. Eine kräftige V/echselstromkoinponente tritt gegen im Belastungsstrom eines jeden Motors auf. Um Kommutierungsprobleme und andere Ungelegenheiten zu vermeiden, muß diese Komponente dadurch niedrig gehalten werden, daß man dem Lastkreis, beispielsweise durch Einschalten von Glättungsinduktivitäten in den Lastkreis eine höhere Induktivität gibt. Diese zusätzlichen Induktivitäten haben oft große Abmessungen, was einen bedeutenden Nachteil der Anordnung darstellt.

Es ist ferner bekannt, mehrere Lasten, wie z.B. Fahrzeugmotoren, miteinander parallelzuschalten, so daß sie eirB einzige Last bilden. Diese wird dann an die miteinander parallelgeschalteten, pha-

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senverschoben arbeitenden Stromrichter angeschlossen. Bei dieser Schaltung ergibt die Phasenverschiebung zwischen den Stromrichtern eine bedeutende Reduktion der Wechselstromkomponente im Laststrom, verglichen mit der vorher genannten Schaltung bei gleicher Größe der Glättungsinduktivität, d.h. man kann mit wesentlich kleineren Glättungsinduktiv!täten auskommen. Bei vielen verschiedenen Arten von Lasten, wie z.B. fremderregten Fahrzeugmotoren, führt diese Schaltung jedoch zu einer unkontrollierten und nicht tolerierbaren ungleichen Stromverteilung zwischen den Lasten. Deshalb ist es in der Praxis bei dieser Schaltung erforderlich, aufwendige Regelsysteme zu verwenden, um eine gleichmäßige Verteilung des Laststromes auf die verschiedenen Lasten zu erzwingen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromrichteranordnung der eingangs genannten Art in der Weise weiterzuentwiekeln, daß bei ihr weder große Glättungsinduktivitäten im Lastkreis noch besondere Regelsysteme erforderlich sind, um eine gute Stromverteilung auf die verschiedenen Lasten zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Stromrichteranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im UnteransOruch genannt.

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Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Stromrichteranordnung nach der Erfindung, in der zwei Gleichstromumrichter zwei Antriebsmotoren speisen,

Fig. 2 je ein Ersatzschaltbild für die Gleichstrom- und Wechselstromvorgänge in der Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein. Ausführungsbeispiel für ein Stromregelsystem bei einer Stromrichteranordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Laststromverteilung und der Viechseistromkomponente als Funktion der Bemessung des Inpedanzelementes gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Stromrichteranordnung zur Speisung zweier Antriebsmotoren FH und M2. Die Anordnung ist über eine Klemme P an den positiven Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen, die aus einer Stromschiene, einem Fahrdraht oder einer Akkumulatorenbatterie bestehen kann. Die beiden an sich bekannten Gleichspannung sumri chter S1 und S2 geben Gleichspannungsimpulse ab, und der von diesen gebildete Mittelwert der Ausgangsspannung kann durch Änderung der Impulsfrequenz und/oder der Impulsdauer gesteuert werden. In Reihe mit den Gleichspannungsumrichtern liegen

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Glättungsinduktivitäten L1 und L2. Jeder Motor stellt eine Last mit einem Einspeisepunkt, K1 bzw. K2, dar. Die beiden Einspeisepunkte sind über ein Impedanzelement miteinander verbunden, welches der Widerstand R ist, und an jeden Einspeisepunkt ist ein Gleichspannungsumrichter angeschlossen. Die Motoren sind fremderregt, d.h. ihre Feldwicklungen F1 und F2 werden von je einer oder einer gemeinsamen Stromquelle gespeist. Jeder Motor- und Glättungsinduktivität ist eine Freilaufdiode D1 bzw. D2 parallelgeschaltet. Die Gleichspannungsumrichter werden in bekannter Weise mit 180° Phasenverschiebung zueinander gesteuert. Wenn der Widerstand R eine niedrige Resistanz hat, heben sich daher die Wechselstromgrundwellen weitgehend gegenseitig auf, was einen niedrigen Oberwellengehalt in den Motorströmen ergibt. Wenn der Widerstand R eine verhältnismäßig hohe Resistanz hat, wird jeder Gleichspannungsumrichter im wesentlichen den Gleichstrom des ihm zugeordneten Motors bestimmen und nur in geringem Umfang den Gleichstrom des anderen Motors beeinflussen. Eine gleichmäßige Verteilung des Laststroms kann man daher durch Steuerung der Gleichspannungsumrichter erhalten.

Fig. 2a zeigt ein für die Gleichströme geltendes Ersatzschaltbild einer Anordnung nach Fig. 1, wobei statt des Widerstandes R eine beliebige Impedanz Z die Einspeisepunkte der Motoren verbindet. Die Gleichspannungsumrichter stellen Gleichstromquellen dar,

/en von denen jede den Gleichstrom I_DC den Einspeisepunkt'zuführt.

Die Resistanz der Impedanz Z wird mit R_z bezeichnet. Jeder Hoxor

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besteht aus einer EMK E¹ bzw. E¹', die in Reihe mit der Ankerresistanz r des Motors liegt. Die Kotorströme werden mit i'^p und I¹¹TV-. und der durch die Impedanz Z fließende Strom wird mit ^ 1-p.p bezeichnet. Nimmt man an, daß sich die SI-IK's der Motoren um den Betrag £ E unterscheiden, was z.B. auf Ungleichheiten der Motoren,ihrer Feldströme oder ihrer Drehzahlen beruhen kann, dann gelten die folgenden Gleichungen:

E" - E¹ = &B

-i

R_z + 2r

~ ¹DC ⁺ ^ ¹DC

^{= 1}DC " Ä ¹DC

Bei der Dimensionierung der Impedanz Z ist darauf Rücksicht zu nehmen, daß eine eventuelle Ankerrückwirkung bei motorischem Betrieb (Fahrtschaltung) eine höhere Unbalance als bei generatorischem Betrieb (Bremsschaltung) erzeugt.

Fig. 2b zeigt das wechselstrommäßige Ersatzschaltbild für die Anordnung. Die Gleichspannungsumrichter speisen die Wechselströme Ι¹«ρ und I ¹¹Ar ^ein» durch die Impedanz Z fließt der Strom Alß_C

/die
und durch die Motoren.·Ströme i' . bzw. i".„. Jeder Motor hat die

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- 1

J K.y ;>;.-. -KEICHT j

Resistanz r und die Reaktanz χ. Da die Umrichter 180° phasenverschoben arbeiten, gilt dies auch für ihre Wechselstromgrundwellen, so daß Ι'λπ ^^''aC ⁼ ''"AC ^^s^· -Dann gilt

i'

^AC Z + 2r + 2nx " ¹AC

i¹ '

AC

Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Umrichter feste ¥echselströme (Ι'λπ ^v0Cl^^L I¹¹Af) abgeben, was eine zulässige Näherung an die wirklichen Verhältnisse darstellt.

Aus den vorstehenden Gleichungen geht hervor, daß R₇ mindestens von gleicher Größenordnung sein muß wie die Motorresistanz r, um eine bedeutende Verbesserung der Lastverteilung zu erzielen. Ferner sieht man, daß die Impedanz Z nicht größer als von ungefähr gleicher Größenordnung wie die Motorimpedanz r+jx sein darf, um eine bedeutende Reduktion der Wechselstromkomponente des Motorstroms zu erzielen. Mit der Formulierung "eine Größe A soll mindestens bzw. höchstens dieselbe Größenordnung haben wie eine Größe B" ist hier gemeint, daß A mindestens ungefähr 0,1-0,3 B bzw. höchstens 3-10 B sein soll.

In einem typischen Fall gilt für die Schaltung gemäß Fig. 1

r = 0,1 0hm
L = 10~³ H

¹DC - ³⁰° ^A

¹AC - ¹⁰° ^A 709827/0246

f = 200 Hz

= 30 ν

wobei L die Motorinduktivität und f die Impulsfrequenz der Umrichter ist. Damit ergibt sich für die I-Iotorreaktanz χ = 1,25 Ohm.

Eei der ersten der eingangs beschriebenen bekannten Schaltungsart, bei der jeder Umrichter seinen eigenen Hotor speist; ergibt sich für die obigen Gleichungen, daß R_z = Z = oo.Durch Einsetzen in die obigen Gleichungen erhält man:

Al_OC = 0, d.h. i'_DC = i"_DC = 300 A

Die Lastverteilung wird also gut, jedoch erhält man im Kotorstrom eine kräftige Wechselkomponente.

Bei der zweiten der eingangs beschriebenen bekannten Schaltung, bei der parallelgeschaltete Motoren von parallelgeschalteten Umrichtern gespeist werden, gilt: R^ = Z =

Durch Einsetzen in die obigen Gleichungen erhält man:

= 150 A ^A

i"_DC = 150 A

Die Lastverteilung ist also sehr schlecht.

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Gemäß der Erfindung wird nun der Widerstand R in Fig. 1 angeordnet. Man wählt zweckmäßigerweise eine Resistanz, die höchstens in der Größenordnung von 1,25 Ohm und mindestens in der Größenordnung von 0,1 Ohm liegt. Wird beispielsweise eine Resistanz von 0,8 Ohm gewählt, so erhält man

Δΐ_οα = 30 A
i'_DC = 330 A

¹¹¹DC = ^{2?0 A}

τ t

AC ~ ^X AC ~ ^ ^A>

d.h. man erhält sowohl eine gute Lastverteilung wie auch eine niedrige WechselStromkomponente im liotorstrom. Ss hat sich gezeigt,

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daß es in der Praxis häufig möglich ist, für die Resistanz einen solchen Viert zu finden, daß die Forderungen hinsichtlich einer guten Lastverteilung und niedriger Wechselstromkomponente auf einfache Art gleichzeitig erfüllt v/erden können, was bei den bekannten Anordnungen nicht ohne große Nachteile (große Glättungsinduktivitäten, komplizierte Stromregelsysteme) möglich ist. Wie aus den oben beschriebenen typischen Werten hervorgeht, ist die Nennleistung des Widerstandes niedrig, so daß seine Kosten und seine Abmessungen klein sind.

In gewissen Fällen kann das Impedanzeleraent, das die Einspeisepunkte der Last verbindet, eine Kondensatorbatterie sein. Da deren Resistanz theoretisch unendlich groß ist, erhält man eine perfekte Lastverteilung. Um für die Kondensatorbatterie angemessene Dimensionen zu bekommen und eine Resonanz mit den Lastinduktivitäten zu vermeiden, dürfte es in der R.egel zweckmäßig sein, eine Kondensatorbatterie nur bei solchen Ausrüstungen zu verwenden, bei denen die Frequenz der Wechselstromkomponenten immer verhältnismäßig groß ist. In dem in Fig. 1 gezeigten Fall eines von einem Gleichspannungsuinrienter angetriebenen elektrischen Fahrzeugs dürfte ein Widerstand geeigneter sein als eine Kondensatorbatterie.

Bei Anordnungen mit parallelgeschalteten fremderregten Gleichstrommotoren ist es zur Erzielung einer guten Lastverteilung bisher notwendig gewesen, mittels R.egelanordnungen die Hotorströne durch

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Steuerung der Feldströme zu beeinflussen. Dies erfordert besondere steuerbare Stromquellen für die Feldwicklungen der Ho tor en. Da gemäß der Erfindung eine gute Lastverteilung auch bei iremderregten Motoren ohne solche Regelanordnungen möglich ist (siehe Fig. 1), kann für sämtliche Feldwicklungen eine einzige, vorzugsweise nicht steuerbare Stromquelle verwendet v/erden, was eine wesentliche Vereinfachung der Schaltung und Ersparnis darstellt.

Im obigen Ausführungsbeispiel sind als Stromrichter selbstkommutierte Gleichspannungsumrichter dargestellt; die Erfindung ist jedoch auch bei Anordnungen mit anderen Stromrichter art en anwendbar, wie z.B. bei netzkommutierten steuerbaren oder nicht steuerbaren Stromrichtern zur Speisung von beispielsweise Gleichstrommotoren. Bei Verwendung solcher Stromrichter können die Stromrichter über Transformatoren mit unterschiedlich geschalteten Wicklungen an das speisende Wechselstromnetz angeschlossen werden, wodurch die Sekundärspannungen der Transformatoren gegeneinander phasenverschoben sind. Beispielsweise können zwei sechspulsige Brückenschaltungen eine Phasenverschiebung von -30° iß-Ά—, wobei ρ die Pulszahl ist) gegeneinander aufweisen.

Jeder Stromrichter kann selbstverständlich aus zwei oder mehreren in Reihe-, parallel- oder reihen-parallelgeschalteten Teilstromrichtern bestehen.

Ebenfalls kann jede Last aus zwei oder mehreren in Reihe-, parallel-

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oder reihen-parallelgeschalteten Teillasten bestehen (z.B. gemäß Fig. 3)· Vorstehend wurden Gleichstrommotoren als Last beschrieben, doch kommen auch andere Arten von Lasten in Betracht .

In den gezeigten Beispielen ist die Anordnung zweiphasig ausgeführt, d.h. sie enthält zwei phasenverschobene Stromrichter. Die Erfindung ist jedoch auch bei mehrphasigen Anordnungen anwendbar, d.h. bei Anordnungen mit drei oder mehr untereinander phasenverschobenen Stromrichtern, von denen jeder eine Last speist. Beträgt die Phasenzahl beispielsweise drei, so arbeiten die drei Stromrichter zweckmäßigerweise mit 120 Phasenverschiebung untereinander. Die Einspeisepunkte der drei Lasten können dann beispielsweise über drei stern- oder dreieckgeschaltete Resistanzen verbunden v/erden. Fig. 3 zeigt ein Beispiel dafür, wie das Steuer- und Regelsystem für die Anordnung gemäß Fig. 1 aufgebaut sein kann. Die Strommeßglieder 2 und 3 bilden Signale i^ und i₂, die den durch die beiden Umrichter fließenden Gleichströmen entsprechen. In einem Maximalwertbilder 4 wird i_max gebildet, welches das jeweils größere der beiden Signale i* und ist. i wird im Vergleichsglied 1 mit einem Stromführungswert i-, ,

IH3X _L G CL

verglichen. Die Regelabweichung (Stromfehler) wird dem Stromregler 5 zugeführt, dessen Ausgangssignal das Steuerimpulsgerät 6 steuert. Dies gibt Zünd- und Löschimpulse an die Umrichter, so daß man eine solche Impulsfrequenz und Impulsbreite an den Umrichtern erhält, daß i_mov in Richtung auf i-, , geändert wird. Die umrichter v/erden

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180° phasenverschoben gesteuert, d.h. die Zündimpulse vom Steueriinpulsgerät werden abwechselnd den Stromrichtern S 1 und S 2 zugeführt.

Die Glieder 7-13 bilden ein System, das eine gute Lastverteilung zwischen den Umrichtern ergibt. Im Hindestwertbilder 9 wird eine Größe i . + Λ gebildet, wobei i . das kleinere der Signale i,,

XaX _ί I X X %m^4 iii *L XX l

und ±2 ist und A ein kleiner konstanter Betrag ist. In den Vergleichsgliedern 10 und 11 wird die Größe i . + Λ mit ±_Λ bzw. ±P verglichen. Die Unterschiede werden Lastverteilungsreglern 12 und 13 zugeführt, deren Ausgangssignale die Glieder 7 und 8 steuern. Wenn beispielsweise i,, dazu neigt, i . + Λ zu überschreiten, wird der Lastverteilungsregler 12 das Glied 8 in der Weise beeinflussen, daß sich die Impulsbreite des Umrichters S1 verringert. Hierdurch wird verhindert, daß der Unterschied zwischen den Umrichterströmen größer als Δ wird.

Fig. 4 zeigt die Lastverteilung und die Wechselstromkomponente im Ilotorstrom als Funktion der Resistanz des Widerstandes R in Fig.1 und 2. Den Bezeichnungen liegt Fig. 2 zugrunde, und die Blurven zeigen J^ I_T und ±_tn für das anhand von Pig. 2 behandelte Zahlenbeispiel. 1.^rie man sieht, nimmt Zl I_DC mit zunehmendem R ab (die Lastverteilung wird also verbessert), und die Wechselstrouikomponente i,„ nimmt mit abnehmendem R ab. Eine gleichzeitige Senkung von nicht unbedeutender Größe sowohl von ^ I·^ wie i.p erhält man ungefähr in dem Intervall 0,1 ^R <^5 Ohm. Welcher Resistanzwert in diesem Intervall zu \iählen ist, hängt davon ab,

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welches Gewicht auf eine gute Lastenverteilung bzw. eine
niedrige Yiechselstromkomponente gelegt wird; es ist also nicht notwendig, wie in dem oben behandelten Beispiel, den Resistanzwert (0,8 Ohm) zu wählen, der dem Schnittpunkt der Kurven entspricht.

/1.4 709827/0246

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Claims

Patentansprüche :

( 1.J Stromrichteranordnung mit mindestens zwei Stromrichtern, von denen jeder mit seinem Gleichstromausgang auf je eine Last geschaltet ist, wobei die Stromrichter im Verhältnis zueinander phasenverschoben arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisepunkte (K1, K2) der Lasten (M1, M2) über Impedanzelemente (R) miteinander verbunden sind, wobei die Resistanz der Impedanzelemente mindestens von derselben Größenordnung wie die Resistanz (r) der Lasten und die Impedanz der Impedanzelemente höchstens von derselben Größenordnung wie die Impedanz der Belastungsobjekte ist.
2. Stromrichterausrüstung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzelemente Widerstände sind.

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