DE2738562C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter zur Speisung von Syn­ chronmaschinen mit einem Gleichstromzwischenkreis zwischen dem netz­ seitigen und dem maschinenseitigen Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1.

Ein Umrichter zur Speisung von Synchronmaschinen mit einem Gleich­ stromzwischenkreis zwischen dem netzseitigen und einem lastgeführ­ ten maschinenseitigen Stromrichter ist aus dem Buch Heumann/Stumpe "Thyristoren", B. G. Teubner - Stuttgart, 1969, Seiten 130/131 (Kapi­ tel 4.3.1 Stromrichtermotor) bekannt.

Die Kommutierungsblindleistung für den maschinenseitigen Stromrich­ ter wird hierbei von der Synchronmaschine über deren Reaktanzen zur Verfügung gestellt. Daher müssen die Maschinenreaktanzen entsprechend der geforderten Kommutierungsdauer ausgelegt sein.

Zunehmend besteht das Bedürfnis, bei einer derartigen Speisung statt der bisherigen 2- bzw. 4poligen Ausführungsform auch höherpolige Synchronmaschinen einzusetzen. Der Einsatz scheitert bislang daran, daß der Drehzahlstellbereich zu gering ist. Hohe Drehzahlen verbie­ ten sich wegen der langen, durch die wechselstromseitige Kommutie­ rung über die Reaktanzen bedingten Löschzeiten der Stromrichterven­ tile. Die Frequenzgrenze des maschinenseitigen Stromrichters liegt so beim Einsatz der üblichen Thyristoren als Stromrichterventile bei nur etwa 75 Hz.

Es ist ferner ein Stromrichtergerät für einen Wechselstrommotor-Antrieb, wie einen Induktionsmotor oder Synchronmotor, aus der DE-OS 24 18 922 bekanntgeworden, der einen Umrichter mit Zwischenkreis besitzt. Dieses Stromrichtergerät ist in Abhängigkeit einer bestimmten Ausgangsfre­ quenz des Wechselrichters umschaltbar. Unterhalb dieser Ausgangsfre­ quenz kommutiert der Wechselrichter mittels in ihm enthaltenen Kommu­ tierungskondensatoren. Oberhalb dieser Frequenz wird eine aus Gleich­ richterventilen und Kommutierungsdrosseln aufgebaute Rückführschaltung zur Rückführung der Blindleistung des Wechselstrommotors an die Zulei­ tungen des Zwischenkreises angeschlossen. Gleichzeitig wird ein Glät­ tungskondensator zwischen diese Zuleitungen eingeschaltet, der mit einer Glättungsdrossel ein Siebglied bildet. Die Kommutierung erfolgt jetzt mittels der Kommutierungskondensatoren im Wechselrichter und der Kommutierungsdrosseln in der Rückführschaltung.

Schließlich ist in dem bereits genannten Buch von Heumann/Stumpe auf den Seiten 131 bis 133 (Kapitel 4.3.2) ein Schwingkreisumrichter be­ schrieben, der lastgeführt ist und bei dem der Blindstrombedarf statt von einer Synchronmaschine von Kondensatoren gestellt wird. Beispiels­ weise können induktive Verbraucher durch Kondensatoren zu Reihen- oder Parallelschwingkreisen ergänzt werden. Der Schwingkreisumrichter ar­ beitet in der Nähe der Resonanzfrequenz der Last.

Bei dem in dem genannten Kapitel betrachteten Reihenschwingkreis über­ nimmt der Lastkreis die Führung des Wechselrichters, indem nach einer Halbperiode der Resonanzfrequenz der Laststrom von selbst umschwingt und damit die Kommutierung ermöglicht. Nach dem Umschwingen kehrt der Laststrom seine Richtung um, wird zunächst von antiparallel zu den Thyristoren geschalteten Dioden übernommen, was eine vorübergehende Energierücklieferung vom Verbraucher an den Gleichstromzwischenkreis bedeutet. Beim Reihenschwingkreis läßt dieser keine sprunghaften Stromänderungen zu. Der Wechselrichter benötigt daher eine möglichst starre Eingangsgleichspannung bzw. eine Pufferkapazität zwischen den Eingangsklemmen, vgl. angegebene Literaturstelle S. 212 "Reihen­ schwingkreis als Last".

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umrichterschaltung anzugeben, bei der - ähnlich den zwei genannten Betriebsvarianten nach Heumann/Stumpe (stromeinprägend: frequenzvariabel, aber Fre­ quenzbereich nach oben begrenzt; Schwingkreisumrichter: höhere Fre­ quenzen möglich, aber Frequenzbereich eingeschränkt) - der Gesamt-Fre­ quenzbereich des Stromrichters erweitert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Kommutierung der Ventile beim maschinenseitigen Stromrichter er­ folgt damit auf vorteilhafte Weise nicht mehr wechselspannungsseitig, sondern gleichspannungsseitig über den Gleichspannungskondensator. Dadurch kann die reine, durch den physikalischen Aufbau der Strom­ richterventile sich ergebende Löschzeit zum Tragen kommen. Diese Löschzeit ist etwa um den Faktor 3 bei den bisher eingesetzten Netz­ thyristoren geringer, als die Löschzeit, die sich bei der Kommutie­ rung über die Maschinenreaktanzen ergibt. Entsprechend steigt die obere Frequenzgrenze des maschinenseitigen Stromrichters auf etwa 200 bis 250 Hz. Bei Beibehaltung des bisherigen Frequenzbereiches ergibt sich eine vorteilhafte Verbesserung des Leistungsfaktors.

Durch die Anordnung nach der Erfindung werden gleichzeitig die Netz­ rückwirkungen des Umrichtersystems durch den zusätzlichen Energie­ speicher, den der Gleichspannungskondensator im Zwischenkreis dar­ stellt, reduziert. Wegen der aufgrund der Ausbildung der maschinen­ seitigen Stromrichter sich ergebenden oberschwingungsarmen Strom­ kurvenform in den Wicklungen der Synchronmaschine werden auch die Drehmomentpendelungen und die Geräusche der Synchronmaschine ver­ ringert.

Da die Kommutierung nicht mehr über die Maschinenreaktanzen erfolgt, müssen diese nicht mehr wie bisher möglichst klein gehalten werden. Vielmehr können die Maschinenreaktanzen freizügig derart dimensio­ niert werden, daß eine Reduzierung der Oberschwingungen eintritt.

Als Schaltelemente zum Zuschalten des zusätzlichen Stromrichters, der bevorzugt im oberen Drehzahlstellbereich eingesetzt werden soll, und des Gleichspannungskondensators sind Halbleiterelemente vorge­ sehen.

Soll vom Motorbetrieb der Synchronmaschine auf den Generatorbetrieb übergegangen werden, ist eine gleichstromseitige Umpolung des zusätz­ lichen Stromrichters vonnöten. Eine dann notwendige zusätzliche Um­ schalteinrichtung entfällt, wenn der zusätzliche Stromrichter aus steuerbaren Halbleiterventilen aufgebaut ist.

Sind der maschinenseitige Stromrichter und der zusätzliche Stromrich­ ter je Phase über eine Querdrossel mit einer Mittelanzapfung verbun­ den, an die die Synchronmaschine angeschlossen ist, dann lassen sich Kurzschlüsse im maschinenseitigen Stromrichter problemlos beherr­ schen.

Es ist aus der Zeitschrift "Elektrotechnik und Maschinenbau" (1967) Heft 3, Seiten 99 bis 112, Aufsatz: "Elektrotechnische Grundlagen der Zwangskommutierung - Neue Möglichkeiten der Stromrichtertechnik", Seite 105, Fig. 13, mit zugehöriger Beschreibung ein zwangskommutier­ ter Stromrichter, bei dem die Thyristoren des maschinenseitigen Strom­ richters und antiparallel geschaltete Dioden an die Enden von Quer­ drosseln angeschlossen sind, deren Mittelanzapfungen mit den Strängen einer Drehfeldmaschine verbunden sind, bekanntgeworden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und sollen im folgenden näher beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Zwischenkreisumrichters mit dem zusätzlichen maschinenseitigen Stromrichter und dem Gleichspannungskondensator und

Fig. 2 eine Ausführungsform der maschinenseitigen Strom­ richter mit Querdrosselspulen.

In der Fig. 1 ist ein aus einem 3phasigen Netz RST gespeister netz­ seitiger Stromrichter mit den steuerbaren Halbleiterventilen 11 bis 16 gezeigt, der gleichstromseitig über eine Glättungsinduktivität L _d den maschinenseitigen Stromrichter, der durch die steuerbaren Ven­ tile 21 bis 26 gebildet ist, speist. An den maschinenseitigen Stromrichter ist eine 3-pha­ sig ausgebildete Synchronmaschine SM angeschlossen. Dem ma­ schinenseitigen Stromrichter ist ein zusätzlicher Stromrich­ ter mit den Dioden 31 bis 36 antiparallel zugeordnet. Dem zusätzlichen Stromrichter ist ein Gleichspannungskondensator C _d parallelgeschaltet. Der zusätzliche Stromrichter kann über die schaltbaren Ventile 52, 62 sowie die Dioden 51, 61 an den Gleichstromzwischenkreis angeschlossen werden. Die Kommu­ tierung des Stromes durch die Ventile 21 bis 26 des maschinen­ seitigen Stromrichters erfolgt bei stromführenden Halbleiter­ elementen 51, 52, 61, 62 über den Gleichspannungskondensator C _d , so daß die (nicht gezeigten) Reaktanzen der Synchron­ maschine SM von der Aufgabe, die Kommutierungsleistung be­ reitzustellen, entbunden sind. Die Zuschaltung des zusätz­ lichen Stromrichters erfolgt vorzugsweise nach normalem An­ lauf der Synchronmaschine SM (Taktung des netzseitigen Strom­ richters). Die Zuschaltung bleibt im gesamten oder zumindest im oberen Drehzahlstellbereich bestehen.

In der Fig. 2 sind der maschinenseitige Stromrichter mit den Ventilen 21 bis 26 und der zusätzliche Stromrichter mit den Dioden 31 bis 36 je Phase über eine Querdrossel L _q mit einer Mittelanzapfung verbunden. Diese Mittelanzapfungen stellen die Anschlüsse UVW zu der nicht dargestellten Synchronmaschine SM her. Die Zuschaltung des zusätzlichen Stromrichters und des Gleichspannungskondensators C _d erfolgt hier über mecha­ nische Schalter S 1, S 2, S 1′, S 2′.

Für einen Generator- und Motorbetrieb der Synchronmaschine muß eine zusätzliche Umschaltung der Klemmen P und N des Gleichstromzwischenkreises erfolgen oder aber die Dioden 31 bis 36 des zusätzlichen Stromrichters müssen steuerbar ausgeführt werden.

Die in der Fig. 2 dargestellte 6pulsige Schaltung kann auf einfache Weise durch eine Parallelschaltung einer zweiten gleichartig aufgebauten Gruppe von maschinenseitigen Strom­ richtern am Gleichspannungskondensator C _d auf eine 12pulsige Schaltung erweitert werden.

Claims (2)

1. Umrichter zur Speisung von Synchronmaschinen mit einem Gleichstrom­ zwischenkreis zwischen dem netzseitigen und einem lastgeführten ma­ schinenseitigen Stromrichter und mit einem antiparallel zum maschi­ nenseitigen Stromrichter (Thyristoren 21 bis 26) angeordneten, an die Maschine angeschlossenen Gleichrichter (Dioden 31 bis 36), dem ein Gleichspannungskondensator (C _d ) parallelgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der antiparallele Gleichrichter und der Gleichspannungskondensator wahlweise dem Gleichstromzwi­ schenkreis parallel schaltbar ist.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maschinenseitige Stromrich­ ter (Thyristoren 21 bis 26) und der Gleichrichter (Dioden 31 bis 36) je Phase über eine Querdrossel (L _q ) mit einer Mittel­ anzapfung verbunden sind, an die die Synchronmaschine (SM) an­ geschlossen ist.