DE2745766A1

DE2745766A1 - Stromrichter in modulbauweise fuer maschinen mit variabler reluktanz

Info

Publication number: DE2745766A1
Application number: DE19772745766
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Engins Matra SA
Current assignee: Engins Matra SA
Priority date: 1976-10-13
Filing date: 1977-10-12
Publication date: 1978-04-20
Also published as: FR2368175B1; GB1594367A; BE859505A; FR2368175A1; IT1087772B; CA1080796A

Description

Stromrichter in Modulbauweise für Maschinen mit variabler Reluktanz

Die Erfindung betrifft Stromrichter in Modulbauweise für eine Maschine variabler Reluktanz, insbesondere Stromrichter für variable Frequenz in Verbindung mit Maschinen variabler Reluktanz mit Vernier-Effekt, d_e he, daß die Drehzahl der •Halle in der Drehzahl der elektromotorischen Kraft ganzzahlig aufgeht·

Bekanntlich haben Maschinen variabler Reluktanz keine bedeutende Industrielle Anwendung gefunden, da ihre Leistung wenig interessant ist, und wenn sie mit einer festen Frequenz gespeist werden· Die Entwicklung von Leistungs-Halbleitern, welche die Herstellung von Stromrichtern für variable Frequenz ermöglicht, und die Verbesserung der dynamischen Eigenschaften, die durch eine Selbststeuerung von Maschinen variabler Reluktanz erhalten wird, erlauben heute den Bau von Maschinen, die ein hervorragendes Verhalten zeigen und

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die drehmomentmäßig oder geschwindigkeitsmäßig in den vier Quadranten des Moment/Geschwindigkeitsdiagrammes gesteuert werden können, und zwar sowohl in der Betriebsart als Motor als auch in der Betriebsart als Generator, und hierbei im letzteren Falle mit einer 7/iedergewinnung der von der Maschine erzeugten elektrischen Energie ο

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Stromrichter für variable Frequenz für eine Maschine variabler Reluktanz zu schaffen, welcher unter optimalen Bedingungen hinsichtlich des Energiewirkungsgrades und unter ständiger Überwachung der Geschwindigkeit und des Momentes einerseits eine Speisung der Maschinenwicklungen bei der Betriebsart als Motor und andrerseits eine Wiedergewinnung der in den Wicklungen der Maschine bei der Betriebsart als Generator erzeugten elektrischen Energie sicherstellt«

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Stromrichter, in Verbindung mit einer bekannten Stromquelle und sowohl als Stromerzeuger als auch als Stromverbraucher betreibbar und in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit oder dem Moment der Maschine gesteuert, im wesentlichen aus mindestens einem Paar identischer, in Reihe liegender Kommutations-Elementarmodule besteht, daß ein Elementarmodul zwei Zweigleitungen aufweist, die mit einem ihrer Enden parallel an die Stromquelle und mit ihren anderen Enden an

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einen gemeinsamen Schaltungspunkt zusammen mit den homologen Enden des identischen, in Reihe liegenden anderen Kommutations-Moduls angeschlossen sind, daß jede Zweigleitung jeweils eine elementare Polwicklung der Maschine variabler Reluktanz speist und einen Thyristor und eine Diode, in Reihe auf die Polwicklung hintereinander geschaltet, aufweist, daß die Beläge eines Kondensators jeweils zwischen den Thyristoren und den Dioden an die Zweigleitungen angeschlossen sind und daß die Thyristoren der beiden Elementarmodule von einem elektronischen Steuerkreis gesteuert werden, welcher mit einem internen Kodierer vorgesteuert wird und mit dem elektronischen Steuerkreis für die Stromquelle synchronisiert ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben, wobei zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel des Stromrichters nach der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Stromrichters nach der Erfindung und

Fig. 3 einen Teil der in den Stromrichtern nach den Fig, 1 oder 2 enthaltenen Kommutatorkreise.

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Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Stromrichter nach der Erfindung, die beide einer Maschine 100 variabler Reluktanz zugeordnet sind. Beim gewählten Beispiel besitzt die Maschine zwei Paare von komplementären Polen 1, 3 und 2, 4, also vier Elementarpole und ein Vernier-Verhältnis von 1/4. Diese Maschine ist sehr schematisch durch ihre vier Polwicklungen 1, 2, 3 und 4 und deren Verbindungspunkt 101 dargestellt.

Der Stromrichter besteht in beiden Fällen aus zwei verschiedenen Hauptteilen, und zwar einerseits aus einer "Stromquelle" 102, 102', welche einsinnig gerichtet ist und ihre Funktion sowohl beim Generatorbetrieb als auch im Betrieb als Energieverbraucher durch Umkehr der Polarität ausüben kann, und andrerseits aus einem Kommutationsschaltkreis 103, der die Polwicklungen der Maschine bezüglich der Stromquelle 102 oder 102' z{2 kommutieren vermag. Bei beiden Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 sind die Kommutationsschaltkreise identisch und deshalb mit derselben Bezugsziffer 103 versehen.

Dagegen ist die Stromquelle 102 nach Fig· labweichend von der Stromquelle 102· nach Fig. 2 ausgebildet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 besteht die Stromquelle 102 im wesentlichen aus einem dreiphasigen Gleichrichter-Wechselrichter mit den Thyristoren 1021 und einer Glättungsdrossel 1022. Ein elektronischer Steuerkreis 1023, der die für seine Funktion erforderlichen Signale von einer Stromschleife 1042

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empfängt, steuert die sechs Thyristoren TH5 bis TH1O des Gleichrichter-Wechselrichters in Abhängigkeit von den Größen des Momentes oder der Geschwindigkeit, welche Größen auf einen Eingang 1025 eingegeben werden_β Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 besteht die Stromquelle 102' dagegen im wesentlichen aus einer Hilfsgleichspannungsquelle, welche von einer Akkumulatorbatterie 1021' gebildet ist, welche vom Netz durch einen Ladegleichrichter 1022' und zwei zugehörigen Zerhackern 1023' und 1024' gespeist werden kann, sowie aus zwei Leerlaufleitungen 1025' und 1026', welche es ermöglichen, die von der Maschine 100 variabler Reluktanz bei einem Betrieb als Generator erzeugte Energie an der Akkumulatorbatterie 1022* wiederzugewinnen· Ein elektronischer Steuerkreis 1027', der die für seine Funktion notwendige Energie über eine Stromschleife 1028 empfängt, steuert die Zerhacker 1023' und 1024' in Abhängigkeit von den Größen des Drehmomentes und der Geschwindigkeit, welche Größen an einen Eingang 1029 geliefert werden, um die Motorleistung oder die Bremsleitung zu regeln.

Die Stromquellen 102 und 102' sind in üblicher Weise aufgebaut und als solche bekannt. Deshalb erübrigt es sich, diese detaillierter darzustellen und zu beschreiben. Die Erfindung besteht in der Kombination dieser an sich bekannten Stromquellen mit dem Kommutationsschaltkreis 103, der bei beiden dargestellten Ausführungsbeispielen vorgesehen ist, und der

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im folgenden vornehmlich tinter Bezugnahme auf Figo 3 näher "beschrieben wirde

Fig« 3 zeigt einen Schaltkreis 103a, welcher den oberen Teil des Kommutafcionsschaltkreises 103 bildet. Dieser Schaltkreis 103a empfängt entweder von der Quelle einen Strom I oder stellt diesen Strom I an die Quelle wieder herο Er umfaßt zwei Zweigleitungen 1031 und 1032, die zu dem Verbindungspunkt 101 führen, und in jedem dieser Zweige liegt, in Richtung auf den Verbindungspunkt 101 hintereinander geschaltet, ein Thyristor TH1 oder TH3, eine Diode D1 oder D3 und eine Wicklung 1 oder 3 der Maschine variabler Reluktanz . Zwischen die beiden Zweigleitungen 1031 und 1032 ist ein Kondensator C13 geschaltet, dessen Klemmen jeweils zwischen dem Thyristor TH1 und der Diode D1 und zwischen dem Thyristor TH1 und D3 angeschlossen sind.

Die Arbeitsweise des Schaltkreises 103a ist wie folgt :

Wenn sich der Thyristor TH1 im Leitzustand befindet und wenn der Kondensator 13 mit der in Fig· 3 gezeigten Polarität geladen ist, wird der Thyristor TH3 gezündet« Infolge dieser Zündung wird die Spannung des Kondensators C13 an die Klemmen des Thyristors TH1 angelegt, welcher sperrte Der Kondensator G13 entlädt sich dann über die Diode D1 in die Wicklung 1. Am

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Ende dieser Entladung kehrt sich Polarität an den Klemmen des Kondensators C13 um, und der gesamte Strom I, der vom Schaltkreis empfangen oder abgegeben ist, fließt über die Diode D3 in die Wicklung 3» wobei die Diode D1 einen Rückfluß des Stromes in die Zweigleitung 1031 verhinderte Gleichzeitig lädt sich der Kondensator C13 mit einer Polarität wieder auf, die der in Fig, 3 gezeigten entgegengesetzt ist. Damit wird die Kommutation des Stromes I von der Wicklung 1 zur Wicklung 3 ausgeführt und der Kondensator C13 wird in geeigneter Weise geladen, um nachfolgend einen, dem vorbeschriebenen Prozeß entgegengesetzten Prozeß auszuführen, wobei bei der letzteren Kommutation der Strom I durch einfaches Zünden des Thyristors TH1 von der Wicklung 3 zur Wicklung 1 fließt.

Man erkennt beim Ausführungsbeispiel, daß die an den Klemmen des Kondensators erhaltene Spannung nur von dem Strom I abhängt und sich von einer Kommutation zur nächsten wiederholt.

In den Fig. 1 und 2 ist ferner noch ein Schaltkreis 103b gezeigt, der, bezogen auf den Verbindungspunkt 101, symmetrisch zum Schaltkreis 103a ist und der dazu dient, unter analogen, noch zu beschreibenden Bedingungen die Kommutation des Stromes I zwischen den Wicklungen 2 und 4 der Maschine variabler Reluktanz sicherzustellen·

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Jede dieser Anordnungen bildet mit den elementaren Polwicklungen (1 und 3) einerseits und (2 und 4) andrerseits ein "Paar von komplementären Wicklungen"· Tatsächlich ist die Summe der durch die Wicklungen 1 und 3 fließenden Ströme konstant· Das gleiche trifft für die Wicklungen 2 und 4 zu· Ein Schaltkreis wie 103a oder 103b kommutiert ein Paar von Komplementären Wicklungen und stellt ein "Kommutations-Elementarmodul" dar.

Außer diesen Kommutations-Elementarmodulen 103a und 103b besitzt die Kommutationsanordnung 103 einen elektronischen Steuerkreis 1033 für die Kommutations-Elementarmodule, welcher durch einen internen Kodierer 1034 vorgesteuert wird. Der elektronische Steuerkreis 1033 ist an einen elektronischen Steuerkreis 1023 (Fig· 1) oder einen elektronischen Steuerkreis 1027' (Fig. 2) über eine Synchronisationsschleife 104 angeschlossen·

Die identischen Kommutationskreise der Fig. 1 und 2 bestehen, wie ersichtlich, aus den zwei in Reihe geschalteten Elementarmodulen 103a und 103b, und si· bewirken die Kommutation einer Reluktanzmaschine, welche zwei Paare von komplementären Wicklungen besitzt, also vier elementare Wicklungen bei einem Vernier-Verhältnis von 1:4·

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Die Kommutationsanordnung nach der Erfindung kann ohne weiteres auch zur Steuerung einer Reluktanzmaschine vorgesehen werden, die mehr als zwei Paare von komplementären Folwicklungen aufweist, z. B. (3, 4-, 5» 6 ...n) Paare von komplementären Polwicklungen, oder (6, 8, 10, 12 ... 2n) elementare Polwicklungen mit einem Vernier-Verhältnis von (1/6, 1/8, 1/10, 1/12 ... 1/2n), indem man (3, 4, 5» 6 ... n) Kommutations-Elementarmodule in Reihe schaltet· Die Anzahl der in Reihe geschalteten Elementarmodule hängt nur von der maximalen Spannung der Stromquelle ab, die immer über der Summe der elektromotorischen Gegenkräfte der Maschine bleiben muß.

Wenn - theoretisch - eine Maschine variabler Reluktanz mit Vernier-Effekt aus zwei Paaren komplementärer Wicklungen aufgebaut werden kann, besitzt sie praktisch eine radiale Symmetrie beliebiger Ordnung. Jede Anordnung aus 2n Wicklungen der Maschine, deren Vernier-Verhältnis 1/2n ist, wiederholt sich in einer bestimmten Anzahl an der Peripherie der Maschine, wobei die durch die 2n Wicklungen fließenden Ströme immer jeweils von einer Anordnung zur anderen Anordnung identisch sind. Z«ei in verschiedenen solchen Anordnungen enthaltene, aber immer von demselben Strom durchflossene Wicklungen sind "homologe" Wicklungen. Eine Maschine mit einem Vernier-Verhältnis 1/2n und einer Achssymmetrie ρ besteht aus zwei 2n Gruppen, von denen jede ρ homologe Wicklungen enthält.

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Die vorerwähnten homologen Wicklungen, die von demselben Strom durchflossen werden, können in Reihenschaltung durch einen Zweig des Kommutators gespeist werden« Somit bleibt bei einer Maschine mit einem Vernier-Verhältnis gleich 1/4 das Schaltschema identisch wie in den Figo 1 und 2, wobei lediglich die Wicklungen dieser Figuren durch ρ homologe, in Reihe geschaltete Wicklungen zu ersetzen sindo

Bei Maschinen mit variabler Reluktanz und mit Vernier-Effekt sind die homologen Wicklungen sehr einfach verbundene Es ist deshalb möglich, jede der ρ Anordnungen aus 2n Wicklungen getrennt zu speisene Bei diesem Konzept wird jede Anordnung durch η Kommutations-Elementarmodule gespeist, was sich ρ mal wiederholt. Die Kommutatoren sind in Reihe oder parallel an die Stromquelle angeschlossen.

Eine solche Anordnung bietet folgende Vorteile :

Die Ausbildung der Wicklungen der Maschine sind sowohl unter dem Gesichtspunkt der Trennung der Leiter als auch hinsichtlich ihrer Isolierung leicht auszubilden, - sie vermeidet eine Rückwirkung auf die Verbindungen der in Reihe oder parallel geschalteten Halbleiter,

sie erlaubt eine modulmäßige und hinsichtlich der Leistungsüberwachung bequeme Erweiterung, die praktisch unbegrenzt ist und unter Verwendung von Standardbauteilen vorgenommen werden kann.

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Die Schaltungsanordnung nach Fig» 1 ist insbesondere für alle die industriellen Anwendungsfälle geeignet, bei denen hohe Momente bei niedriger Geschwindigkeit verlangt werden und bei denen die Bremsphasen eine Dauer besitzen, die im Verhältnis zum Motorzyklus nicht vernachlässigbar ist» Solche Probleme liegen vor im Eisenhüttenwesen und bei Hebe- und Vortriebsvorrichtungen«

Das Schaltschema nach Fig. 2 bietet dieselben Charakteristika wie das vorbehandelte, aber in diesem Falle wird die Bremsenergie beim Niveau der Akkumulatorbatterie gespeicherb, unabhängig davon, ob sie vom Netz geliefert wird oder uichte Diese Anordnung ist insbesondere interessant bei Vortriebsproblemen mit mitgeführter Quelle oder wenn es erforderlich ist, den Betrieb auch bei fallender Netzspannung aufrechtzuerhalten (z. B. bei einem Fahrstuhl)·

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern sie kann auch in anderen Ausführungsforgen verwirklicht werden, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird·

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Claims

iy> 4. rat, r c A r. Patentansprüche

1. ) Stromrichter in Modulbauweise für eine Maschine variabler Reluktanz, insbesondere Stromrichter für variable Frequenz in Verbindung mit einer Maschine variabler Reluktanz mit Vernier-Effekt, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter, in Verbindung mit einer bekannten Stromquelle und sowohl als Stromerzeuger als auch als Stromverbraucher bebreibbar und in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit oder dem Moment der Maschine gesteuert, im wesentlichen aus mindestens einem Paar identischer, in Reihe liegender Kommutations-Elementarmodule (103a und 103b) besteht, daß ein Elementarmodul zwei Zweigleitungen (1031 und 1032) aufweist, die mit einem ihrer Enden parallel an die Stromquelle und mit ihren anderen Enden an einen gemeinsamen Punkt (101) zusammen mit den homologen Enden des identischen, in Reihe liegenden anderen Kommutations-Elementarmoduls angeschlossen sind, daß jede Zweigleitung (1031, 1032) jeweils eine elementare Polwicklung (1 und 3) der Maschine variabler Reluktanz speist und einen Thyristor (TH1, TH3) und eine Diode (D1, D3) in Richtung auf die Polwicklung (1, 3) hintereinandergeschaltet, aufweist, daß die Beläge

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ORIGINAL INSPECTED

eines Kondensators (C13) jeweils zwischen den Thyristoren (TH1, TH3) tind den Dioden (D1, D3) an die Zweigleitungen (1031, IO32) angeschlossen sind und daß die Thyristoren der beiden Elementarmodule (103a und 103b) von einem elektronischen Steuerkreis (1033) gesteuert werden, welcher mit einem internen Kodierer (1034) vorgesteuert wird und mit dem elektronischen Steuerkreis (1023, 1027') für die Stromquelle synchronisiert ist»

2. Stromrichter nach Anspruch 1, mit mehreren Paaren von in Reihe geschalteten Kommutations-Elementarmodulen, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von Elementarmodulen in Parallelschaltung an die Stromquelle angeschlossen sind.

3« Stromrichter nach Anspruch 1, mit mehreren Paaren von in Reihe geschalteten Kommutations-Elementarmodulen, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von Elementarmodulen in Reihenschaltung an die Stromquelle angeschlossen sind.

4. Stromrichter nach Anspruch 1, mit mehreren Paaren von in Reihe geschalteten Kommutations-Elementarmodulen, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von Elementarmodulen in Serienparallelschaltung an die Stromquelle angeschlossen sind.

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5· Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle als Hauptbestandteil einen Thyristorgleichrichter aufweist·

6. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle im wesentlichen zwei Zerhacker und zwei Leerlaufleitungen aufweist, die an eine Akkumulatorbatterie angeschlossen sindo

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