DE2942761A1

DE2942761A1 - Kommutierungseinrichtung fuer einen maschinenstromrichter

Info

Publication number: DE2942761A1
Application number: DE19792942761
Authority: DE
Inventors: Reinhold Bendel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-10-20
Filing date: 1979-10-20
Publication date: 1981-04-30
Also published as: DE2942761C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kommutierungseinrich-
tung für einen eine mehrphasige elektrische Maschine speisenden Maschinenstromrichter gemäß dem Oberbegriff des Ansoruches 1. Ein derartiger Maschinenstromrichter ist aus dem Buch von K. Heumann "Grundlagen der Leistungselektroni'<", B.G. Teubner, Stuttgart, 1975, Seite 113, bekannt.
Dieser Maschinenstromrichter kann eine oder mehrere parallel angeschlossene Maschinen speisen bzw. belasten. Der Betrieb ist mit den Maschinenarten Synchronmaschine, Asynchron-Schleifringläufermaschine (drehstromerregte Strom richtermaschine) und Asynchron-Kurzschlußläufermasch Lne möglich. Die Kommutierungseinrichtung soll bei den v<3rgenannten Maschinenarten eine Kommutierung des Maschinen stromrichters bewirken, die im Zündwinkelbereich von 0 bis 180 Grad beliebig und kontin'uierlich steuerbar ist.
Im Bereich der Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis werden bei der bekannten Technik auf der Maschinenstromrichterseite zwei Kommutierungsarten vorgesehen: a) Selbstgeführte Kommutierung (vgl. a.a.O. S. 115 ff.).
Hierbei wird die Kommutierungsspannung bzw. -energie aus internen Kommutierungskondensatoren bezogen, die zur Energieabgabe mit Hilfe einer aufwendigen Thyristorsteuerung umgeladen werden.
b) Lastgeführte Kommutierung (vgl. a.a.O. S. 110).
Bei lastgeführten Stromrichtern wird die Kommutierungsspannung bzw. -energie von der an dem Stromrichter angeschlossenen Maschine bzw. Maschinen geliefert. Das führt zu Kommutierungsschwierigkeiten bei kleinen Maschinendrehzahlen oder bei Naschinenstillstand, weil die Maschine bei diesem Betrieb keine Kommutierungsspannung bzw. -energie liefern kann.
Zum Anfahren des Stromrichtermotors bedient man sich deshalb z.B. der periodischen Umschaltung des Netzstrom->ichters vom Gleich- in den Wechselrichterbetrieb und umekehrt, um im Maschinenstromrichter den Strom in den Zellen unterbrechen zu können (vgl. a.a.O., S. 114). Das führt zu Drehmoment-Unterbrechungen bei Synchronmaschinenantrieben, so daß in diesem Bereich kein dynamischer Betrieb möglich ist und der Antrieb aus diesem Grund für viele Anwendungsfälle ungeeignet ist.
Im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Beispiel eines Synchronmaschinenantriebes liefert die drehstromerregte Stromrichtermaschine bei der Drehzahl 0 eine Drehstrom-Kommutierungsspannung, mit der der Maschinenstromrichter kommutieren kann. Die drehfeldererregte Stromrichtermaschine ist besonders für hochdynamischen Betrieb geeignet, hat jedoch die Nachteile, daß die zur Verfügung gestellte Kom.utierungsspannung und -energie durch die Naschine hindurchgeschoben wird, ohne daß sie an der Welle wirksam werden kann (je nach Maschinenauslegung beträgt diese LeIstung 20 bis 30 % der Maschinennennleistung) und daß eine Feldschwächung für die Maschine sehr aufwendig ist. Ohne Feldschwächung kann die Maschine an einen Gegendrehmomentverlauf eines angekuppelten Aggregats r.it z. B. Konstantleistungsverhalten im oberen Drehzahl:ereich nicht angepaßt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kommutierungseinheit der eingangs genannten Art derart auszübilden, daß diese weitgehend unabhängig vom Stromrichter einheitlich bei allen Anwendungsfällen der selbst- und lastkommutierten Stromrichter einsetzbar ist. Anfahrproblerre im Bereich niedriger Drehzahlen sollen entfallen, und es soll eine Nenndrehmomentbelastung bei Stillstand vnd bei niedrigen Drehzahlen im Motor- und Generatorbetrieb möglich sein. Ferner soll der problemlose Übergang vom Unter- in den Ubersynchronbereich und umgekehrt bei der Schleifringläufermaschine erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Eine weitere Lösung dieser Aufgabe für Maschinen mit zugänglicher Erregerwicklung für Gleich- oder Wechselstrom ist im Anspruch 6 gekennzeichnet.
Es wird vorteilhafterweise durch die Bereitstellung er zusätzlichen Kommutierungsspannung eine einheitliche Technik für alle genannten Anwendungsfälle der selbst- u:'qd lastkommutierten Maschinenstromrichter durch die vom Stromrichter weitgehend unabhängige Kommutierungseinrichtung geschaffen. Der Maschinenstromrichter liefert lediglich Parallel-Impulse zu der Kommutierungseinrichtung. Dabei werden die bisher selbstkommutierenden Maschinenstror;richter von außen kommutiert und die bisher lastkommutieten Stromrichter zusätzlich parallel zwangskommutiert, sc, daß die Anfahrprobleme im Bereich kleiner Drehzahlen ent allen.
Ferner wird eine Verbesserung der Drehmoment- und Drfzhzahldynamik durch die mögliche kontinuierliche Zünd- und Kommutierungswinkelverstellung erreicht. Es tritt auch eile Verbesserung der Kommutierung des Maschinenstromrichters ein.
Bei entsprechender Auslegung der Kommutierungseinrichtung kann der Überlappungswinkel gegenüber der natürlichen Kommutierung z.B. bei dem Betrieb mit einer Synchronmaschine oder Schleifringläufermaschine kleiner werden. Die Impulsendlage kann bei Wechselrichterbetrieb bis zu einem Steuerwinkel von annähernd 180 Grad ausgenutzt werden. Damit ist gleichzeitig eine Verbesserung des Maschinenleistungsfaktors verbunden. Die Nenndrehmomentbelastung ist auch bei Stillstand und kleinen Drehzahlen im Motor- und Generatorbetrieb möglich. Außerdem wird eine kontaktfreie elektronische Drehrichtungsumkehr bei Asynchron-Kurzschlußläufer-und Synchronmotoren erzielt. Der Übergang vom Unter- in den Ubersynchronbereich des Schleifringläufermotors und umgekehrt bei gleichzeitigem beliebigem Wechsel von Motor-und Generatorfunktion in dem Unter- und Ubersynchronbereich ist ohne Schwierigkeit möglich. Elektrisch entspricht dieser Betrieb der zuvor erwähnten kontaktfreien Drehrichtungsumkehr bei Asynchron-Xurzschlußläufer- und Synchronmatichinen.
Einfache Winkelstellungsgeber für die Stellungsanzeige des Polradwinkels bei Synchronmaschinen und bei Schleifringläufermaschinen (Impuls initiatoren) reichen zur Impulssynchronisation aus. Für den Betrieb der Kurzschlußläufer-Motoren ist lediglich ein normaler Gleichspannungs-Drehzahlgeber für die Schlupf- und Drehzahlmessung erforderlich. Schließlich wird auch eine sichere Kommutierung bei oberwellenbehafteten Maschinenspannungen erreicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 und 7 bis 9 angegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen Figur 1 das Prinzipschaltbild für eine Kommutierungseinrichtung für einen Zwischenkreisumrichter, Figur 2.1 das Schaltbild für einen Maschinenstromrichter und eine Maschine in Mittelpunktschaltung, Figur 2.2 die zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung bei einer Maschine in Mittelpunktschaltung bei Motorbetrieb, Figur 3 eine Kommutierungseinrichtung mit unabhän,iger Stromversorgungseinheit, Figur 4 die zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung einer Mittelpunktschaltung nach Figur 2.1 bei Generatorbetrieb, Figur 5 eine Kommutierungseinrichtung mit Direktumrichter, der von der Netzspannung gespeist wird, Figur 6 die zeitlichen Verläufe von Stroh und Spannung bei dem Einsatz einer Schaltung nach Figur 5, Figur 7 eine Kommutierungseinrichtung mit Hilfe der Erregerspannungsänderung bei einer Sychronmaschine 1 Figur 8.1 den prinzipiellen Aufbau einer Synchronmaschine, Figur 8.2 die Spannungszeiger bei der Synchronmaschine, Figur 8.3 die zeitlichen Verläufe von Strom- und Spannung bei dem Einsatz einer Eiririchtung nach Figur 7, Figur 9 eine Kommutierungseinrichtung mit Hilfe der Erregerspannungsänderung bei einer Asynchron-Schleifringläufermaschine.
In Figur 1 ist ein aus einem Netzstromrichter 2, einer Gleichstromdrosselspule 3 und einem Maschinenstromrichter 4 aufgebauter Umrichter dargestellt. Der Maschinen stromrichter 4 mit seinen steuerbaren Ventilen i+.1 ')is 4.6 (Thyristoren) ist mit der Ständerwicklung einer Strornrichtermaschine 6, deren Läuferwicklung nicht ,,ezeigt ist, verbunden. Der Netzstromrichter 2 wird als einem ebenfalls nicht dargestellten Dreiphasennetz iber die Sekundärwicklung eines Netztransformators 1 gespeist.
An die maschinenseitigen Ausgänge des Naschinenstrc:richters 4 sind die Sekundärwicklungen eines Spannungsübertragers 5 angeschlossen, über dessen PrimärwicklungEn vorzeichengerecht eine Zusatzspannung in die jeweil ge Phase R,S,T einspeisbar ist.
Die Primärwicklungen des Spannungsübertragers 5 sind jeweils an einen Wechselrichter angeschlossen, wobei die Wechselrichter 12 über Mittelanzapfungen der Primärwicslungen sowohl miteinander verbunden als auch von einer Gleichspannungsquelle gespeist sind. Die Wechselricäter bestehen aus Thyristoren 12.1 bis 12.6, Dioden 12.7 bis 12.12 sowie Kondensatoren 12.13 bis 12.15.
Die Gleichspannungsquelle ist hier durch eine erste Gleichrichterbrücke 11 und eine mit dieser in Reihe geschalteten weiteren Gleichrichterbrücke 8 gebildet. Die erste Gleichrichterbrücke ist über wechselspannungsseitige Lastbegrenzungawiderstände 10 an einen Anpassungstransformator 9 anges~hiossen, der z. B. vom Netz, mit dem der Netzstromrichter 2 verbunden ist, gespeist wird. Der weitere Gleichrichter 8 wird wechselspannungsseitig über einen Stromübertrager 7 vom Netz gespeist.
Figur 2.2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung der Phasen RST der Maschinen-EMK und der Spannungen an den Stromrichterventilen des Maschinenstromrichters 4. Mit 15, 16, 17 ist die Maschinen-EMK der Phasen R,S,T, mit ';8 (senkrechte Schraffur) sind die Diodenspannungsabfälle und die ohmschen Spannungsabfälle bezeichnet. 19 zeigt den induktiven Gleichspannungsabfall, 20, 21, 22 den Maschinenstrom der Phasen R,S,T, 23 die Spannungszeitfläche des Linienzuges a,b,c,d der Spannunseinkopplung durch den Spannungsübertrager 5T und 24 die Spannung des Gleichstromzwischenkreises (100 % Glättung angenommen).
Für die Betrachtung von Figur 2 wird folgendes angenommen: Die Maschine ist ein nennerregter Synchronmotor unter Last, der so langsam dreht, daß bei 150 Grad Aussteuerung des als Wechselrichter arbeitenden Maschinenstromrichters 4 der in der Maschine erzeugte und von den Ventilen gleichgerichtete Gleichstrommittelwert kleiner ist als die für dle Erreichung des Maschinennennstromes erforderliche Spannung des Gleichstronzwischenkreises.
Soll unter diesen Voraussetzungen zum Zeitpunkt t1 der Strom der Phase T auf die Phase R überkommutieren, so wird die Phase R nur einen Teil des Stromes übernehmen, d. h. in der Phase T wird weiterhin Strom fließen, Iend der Motor könnte kein Drehfeld mehr bilden, da alle drei Phasen gleichzeitig Spannung führen.
Um im Zeitpunkt t1 bei der erforderlichen Spannung c.es Gleichstromzwischenkreises von der Phase T auf die Phase R überkommutieren zu können, muß dafür gesorgt werden, daß die Spannungsdifferenz an den Anoden der Ventile 4.2 und 4.6 während der Kommutierungszeit größer ist als die zur Strombildung erforderliche Differenzspannung zwischen der Zwischenkreisspannung und der EMK-Spannung der Phase T der Maschine. Das wird dadurch erreicht, daß im Zeitpunkt t1 der Kommutierung mit dem (Kommutierungs-)Spannungsübertrager 5T eine Zusatzspannung in den Strompfad der Phase T eingespeist wird. Dabei muß das Potential an der Anode des Ventils 4.2 gegenüber dem Potential der Anode des Ventils 4.6 positiv werden.
Das läßt sich erreichen durch die Zündung des Thyristors 12.2 des Wechselrichters 12 bzw. die Zündung des Thyristors 12.3 des Wechselrichters 12 oder die gleichzeitige Zündung der Thyristoren 12.2 und 12.3.
Der Einfachheit halber wird im folgenden davon ausgegangen, daß die Kommutierungseinrichtung so ausgelegt ist, daß ein Spannungsübertrager alleine für die ordnungsgemäße KommutierlnO ausreicht. Dadurch können die gleichzeitig zündenden Ventile des Maschinenstromrichters und des Wechselrichters mit den gleichen Indizes z. B. 4.2 für den Maschinenstromrichter und 12.2 für den Wechselrichter versehen werden.
Bei der Stromkommutierung in dem o.g. Beispiel sind von dem Spannungsübertrager 5T die anlagenbedingte stromabhängige Spannun«;szeitfläche der Kommutierungsspannung und die Spannungsabfälle der beteiligten Ventile und Widerstände während der Kommutierungszeit zu decken. Die erforderliche Kommutierungsleistung wird entsprechend den stromabhängigen Konmutierungsverlusten (induktive und ohmsche Verluste) dem Stronübertrager 7 und entsprechend den spannungsabhängigen Kommutierungsverlusten (Ventiiverluste) dem Anpassungstransformator 9 entnommen und unter Berücksichtigung der erforderlichen Kommutierungsspannungssicherheit und des Gesamtwirkungsgrades der Kommutierungseinrichtung dem Wechselrichter 12 zur Verfügung gestellt.
Der Wechselrichter 12 besteht, wie bereits erwähnt, aus drei gleichen, in Reihe geschalteten Einzel-Wechselrichtern. Wird z.B. im Zeitpunkt t1 gemäß Bild 2 der Thyristor 12.2 gezündet, so wird über die Diode 12.12 eine Hälfte der Primärwicklung des Spannur£sübertragers 5T an positive Spannung gelegt. Das hat zur Folge, daß der Kondensator 12.15 aufgeladen wird und der Ladestrom in dem Spannungsübertrager 5, Phase T eine proportionale Spannung erzeugt, wodurch die gewünschte Potentialabsenung an der Anode des Ventils 4.6 entsteht. Sobald der KondensatorladevorEer.g beendet ist, geht die Ubertragungsspannung gegen 0. Der Primärstrom des Spannungsübertragers 5 wird durch den Strom des Stromübertragers 7 und die Lastbegrenzungswiderstande 10 begrenzt.
Bei der Erstkommutierung und bei Drehzahl O muß mit einer Potentialdifferenz an den Kondensatoren 12.13 bis 12.15 von O Volt gerechnet werden. Die Kommutierungseinrichturg ist so dimensioniert, daß sie unter dieser Voraussetzung bereits sicher kommutiert. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Sicherheit von größer als 100 % für alle folgenden Kommutierungen, da in diesen Fällen die Kondensatoren bereits aufgeladen sind. Das führt gleichzeitig zu eier Verkürzung der Kommutierungszeit im Bereich der Eigenl:omnutierung. Die Umladung wird durch die Zündung des zweiten Thyristors, z.B. 12.1, eingeleitet, wodurch über die Diode 1211 an die zweite Spulenhälfte des Spannungsübertragers 5, Phase T ein positives Potential angelegt wird, der umgekehrte Ladevorgang an dem Kondensator 12.15 beginnt und der bis dahin stromführende thyristor 4.2 erlischt.
Anschließend steht der Thyristor 12.2 für eine erneute Umsteuerung des Wechselrichters zur Verfügung.
Durch die gleichzeitige Ansteuerung zum Zeitpunkt tl gemaß Figur 2.2 der Thyristoren 4.2 des Maschinenstron-richters und 12.2 des Wechselrichters kann der Thyristor 4.6 infolge der vom Spannungsübertrager 5,Phase T anodenseitig ; esen'ten Spannung löschen und der Thyristor 4.2 die Strompührunc voll übernehmen.
Dieser Vorteil der beschriebenen Kommutierungseinrichtung bewirkt jedoch eie geringfügige Absenkung der Speisespannung des Netzstromrichters 2 Die Kommutierungsenergie für den Maschinenstromrichter 4 wird demzufolge größtenteils vcn dem Stromübertrager 7 über die Kommutierungseinrichtung uf der Maschinenseite in den Maschinenstromrichter 4 eingespeist und fließt nicht über den Gleichstromzwischenkreis. Die Stromversorgung für den Wechselrichter muß jedoch nicht notwendigerweise aus dem Stromübertrager 7 entnommen werden. Es ist auch eine unabhängige Stromversorgungseinheit denkbar. Sie kann sowohl proportional dem Maschinenlaststrom als auch mit einer einfachen Strombegenzungscharakteristik ausgeführt werden, z. B., wie in Figur 3 dargestellt, mit gleichstromseitigen Lastbegrenzungswiderständen 30.15 und 30.16, denen Kondensatoren 30.13 und 30.14 parallelgeschaltet sind. Der Anpassungstransformator 9 kann dabei statt an das Netz des Netztransformators 2 an eine beliebige Wechselspannungsquelle angeschlossen sein.
Figur 4 stellt den zeitlichen Verlauf der Spannung des Gleichstronzwischenkreises, der Ventil- und ohmschen Spannungsabfälle und der EM( der Synchronmaschine bei keiner Drehzahl bei Generatorbetrieb dar. Die Bezeichnungen für das Liniendiagramm sind wie für Figur 2.2 gewählt.
Bei kleinen Drehzahlen oder bei Maschinenstillstand muß zur Aufrechterhaltung des Maschinenstromes sowohl vo Netzstromrichter 2 fuls auch vom Maschinenstromrichter 4 gemeinsam in den Gleichstromzwischenkreis eingespeist werden, d. h., beide Stromrichter arbeiten als Gleichrichter, wobei der Netzstromrichter 2 vom Netz aus und der Maschinenstromrichter 4 von der Synchronmaschine her in den Gleichstromzwischenkreis einspeisen. Da die Synchronmaschine 6 bei Maschinenstillstand bzw. bei sehr kleinen Drehzahlen hierzu nicht mehr in der Lage ist, muß die fehlende Spannung zur Kommutierung über den Spannungsübertrager 5 eingespeist werden. Das ist ohne weiteres möglich, da sich gegenüber dem Motorbetrieb der Synchronmaschine weder in der Phasenfolge noch in der Polarität der einzuspeisenden Spannung etwas ändern muß. Das geht aus Qen Spannungsverlauf nach Figur 4 hervor. Zu dieser Figur wird angenommen, daß dle Zwischenkreisspannung umgekehrte Polarität hat als die gleichgerichtete Maschinenspannung.
Zum Zeitpunkt t1 ist von der Phase T auf die Phase R zu ommutieren. Da die zu geringe Spannung der Phase R nicht in der Lage ist, den Strom von Phase T auf Phase R zu kommutieren, muß die Spannung der Phase R mit Hilfe des Spannungsübertragers 5 R heraufgesetzt oder die Spannung der Phase T mit Hilfe des Spannungsübertragers 5 T gegenüber der Phase R herabgesetzt werden. DerAblauf erfolgt wie beim Motorbetrieb zum Zeitpunkt t1. Von der Phase T auf die Phase R zu kommutieren bedeutet, daß die Anode es Thyristors 4.2 positiver sein muß als die Anode des Thyristors 4.6. Letzteres wird erreicht durch die Zündung des Thyristors 12.2 und dem damit verbundenen Aufla.levorgang des Kondensators 12.15 und der anschließenden Spannungserzeugung am Kommutierungsspannungsübertrager 5 T.
Der Spannungsübertrager 5 übernimmt nur die Deckung der $p«nnurgsabfälle während der Kommutierung. Der Strom in der Synchronmaschine wird durch den Netzstromrichter 2 über den Zwischenkreis gedeckt. Dadurch kehren sich bei ganz leinen Drehzahlen und bei Stillstand des Synchrongenerators die Phasenspannungen an den Maschinenklemmen um.
Zur Drehrichtungsumkehr ist die Phasenfolge sowohl Pur den Maschinenstromrichter 4 als auch für den Wechselrichter 12 zu ändern. Dabei bleibt die gemeinsame Ansteuerung der mit gleichem Index belegten Thyristoren des Maschinenstromrichters 4 und des Wechselrichters 12 erhalten, Soll die Kors.utierung beim Motor- und Generatorbetrieb zum Zeitpunkt t1 dadurch erfolgen, daß entgegen dem gezeigten Beispiel die Spannung der Phase R gegenüber der Phase T angehoben wird, so wird die Kors.utierungsspannung der Phase R nach der Kommutierung weiterwirken und den Naschinenstrom anheben. Dieser Nachteil wird bei der Qnannungsreduzierun mit dem Spannungsübertrager 5 T zum Zeitpunkt t1 vermieden, weil im Anschluß an die Spannungscommutierung die Phase T stromlos ist.
Eine alternative Kommutierungseinrichtung sieht die Kom3utierung mit Hilfe der Netzspannung gemäß der Schaltung nach Figur 5 vor. Bei dieser Kommutierungseinrichtung wird die für die Kommutierung erforderliche Spannungszeitfläche über einen Direktumrichter 31 mit den antiparallelen Ventilen 31.1 bis 31.18 der Netzspannung entnommen.
In Figur 6 sind für das Liniendiagmamm wiederum die gleichen Bezeichnungen gewählt wie bei Figur 2.2. Darüber hin-Bus ist mit die Zeitdauer einer Halbperiode bezeichnet.
Die dreiphasige Netzspannung R',S',T' ist mit 25, 26, 27 beziffert.
Soll bei der letztgenannten Kommutierungseinrichtung zum Zeitpunkt t1 (Figur 6) der Strom von der T- auf die Phase R überkommutieren, so sind zeitgleich mit dem Thyristor a.v Zündimpulse an die Thyristoren 31.2 und alle in gleicher Stromrichtung gepolten Thyristoren der antiparallelen Brücke des Direktumrichters 31 zu geben. Dadurch wird aus der Netzspannung ein Teil einer Halbschwingung direkt auf den Spanrungsübertrager 5 T in der gewünschten Polarität geschaltet. Die Stromführungazeiten des Direktumrichters bei der gezeigten Schaltung und 50 Hz-Frequenz betragen maximal 6,6 msek.
Rus dieser Kommutierungszeit und der 6pulsigen Schaltung ergibt sich eine Frequenz des Direktumrichters von Wegen der Eigenkommutierungszeit der Thyristoren des Direktumrichters 31 vergrößert sich die Brenndauer und demzufolge vermindert sich die steuerbare Frequenz auf ca. 20 Hz. Die Steuerfrequenz läßt sich durch folgende Maßnahmen erhöhen: a) Erhöhung der Frequenzen der dem Direktumrichter zuzuführenden Spannung (z.B. 400 Hz).
b) Verkürzung der Thyristor-Brenndauer der antiparallelen Drehstrom-Brücke (31.7 - 31.18) durch gleichmaßige Begrenzung der Thyristor-Aussteuerwinkel. Sie kann zweckmäßigerweise kontinuierlich mit der steigenden Maschinenfrequenz erfolgen. Dabei ist zu beachten, daß bei einem Aussteuerwinkel größer als 45 Grad bereits Spannungsabsenkungen eintreten und bei weiterer Steuerwinkelerhöhung die Kommutierung nicht mehr alleine durch die Kommutierungseinrichtung gesichert werden kann.
Für den Stromrichterbetrieb mit Synchronmaschinen u;id Schleifringläufermaschinen ist das kein Problem, da diese Maschinenarten nur bei sehr kleinen Frequenzen eine Kommutierungsunterstützung benötigen und bereits je nach Dynamik oberhalb ca. 2,5 Hz selbst kommutieren können. Bei höheizer Dynamik muß diese Frequenzgrenze heraufgesetzt werden. Der Übergang von Fremdkommutierung auf Selbstkommutierung kann kontinuierlich gesteuert werden (Begrenzung des Aussteuerwinkels für die antiparallele Brücke im Bereich von 45 - 150 Grad). Bei der 150-Grad-Aussteuerung der antiparallelen Brücke des Direktumrichters 31 wird keine Zusatzspannung über die Kominutierungsspannungsübertrager vom Netz her induziert. Um ihre Drosselwirkung zu reduzieren, ist es zweckmäßig, die Thyristoren 31.1 bis 31.6 in diesem Bereich durchzuschalten.
Wie bei den weiter oben beschriebenen Kommutierungseinrichtungen so kann auch bei der letzlich genannten Einrichtung über das Windungsverhältnis des Spannungsübertragers 5 eine optimale Stromanpassung der Thy-istoren ses Direktumrichters 31 erfolgen.
Die Kommutierung kann auch mit Hilfe der Erregerspannungsänderung bei zugänglicher Erregerwicklung vorgenommen werden.
Ein Vorschlag für die Schaltungsanordnung bei einer Synrtrormaschine ist in Figur 7 dargestellt. Der Umrichter, bestehend aus dem Netzstromrichter 2, der Gleichstromdrossel 3 und dem Maschinenstromrichter 4, speist bzw. belastet die motorisch bzw. generatorisch arbeitende Synchronmaschine 6, die eine Gleichstromerregerwicklung 63 aufweist.
Der an der Synchrors.aschine angebaute einfache Polwinkelgeber (Impulsgeber 35) besteht vorzugsweise aus einer Initiatorscheibe, von der je Phase und Pol ein Impuls an den Initiatoren 35.1 und 35.2 erzeugt wird.
Der Initiator 35.1 ist beispielsweise so justiert, daß er in der gewünschten Wechselrichterendlage je Phase einen Impuls abgibt, während der Initiator 35.2 in der gewünschter Gleichrichterendlage je Phase einen Impuls abgibt. Je nach lotor- oder Generatorbetrieb wird über den Umschalter 36 der Initiator 35.1 oder 35 angewählt. Mit Hilfe eine elektronischen Schalters 37 wird während der Initiator-Impulszeit von de Zusatzerregerstrom-Sollwertgeber 33 eine Erregerstromerhohung über die Summierstelle des Erregerstromgerätes 3° veranlaßt.
Parallel und zeitgleich zu der Steuerung des elektronischen Umschalters 37 erfolgt die Impuls steuerung des Maschlnenstromrichters 4 mit Hilfe der Initiatoren 35.2 (Motorbetrieb) und 35.2 (Generatorbetrieb).
Eine Zündwinkel-Impulsverschiebung ist nicht zweckmäßig, da nur in einem bestimmten Zündwinkelbereich ein optimaler Kommutierungseffekt erreicht werden kann. Der Maschinenstrom und damit das Maschinenmoment (bei fester Wechsel-bzw. Gleichrichterendlage des Maschlnenstromrichters 4) werden über den Netzstromrichter 2 vorgegeben. Antriebstechnisch verhält sich diese Anordnung wie eine stromrichtergespeiste Gleichstronmaschine.
Dem Stromregelkreis des Netzstromrichters 2 können weitere Regekreise z.B. Drehzahl- oder Drehzahlmoment-Regelkreise 'scrla-^ert werden.
3ei den vorher beschriebenen Kommutierungseinrichtungen wurden die erforderlichen Kommutierungsspannungen bei kleinen Drehzahlen oder Drehzahl 0 mit Hilfe von (Kommu,ierun~s-)Spannungsübertragern induziert. Diese transforatotische Spannungsinduzierung war notwendig, weil die rotatorische Spannungserz eugung der Synchronmaschinen für die Kommutierung zu klein war.
ei der in Figur 7 gezeigten Anordnung sind keine Kommutierungsspannungsübertrager enthalten. Dennoch wird die 4 die Kormutierung erforderliche Spannung, da die rota-Torische Spannung fehlt, transformatorisch in den Lastkreis eir. efihrt. Dies geschieht innerhalb der Maschine.
In Figur 8.1 ist der prinzipielle Aufbau einer derartigen Synchronmaschine 6 dargestellt. Es wird angenommen, daß der Rotor 6.1 mit eier Gleichspannung erregt wird. Die Erregerstromrichtung im Leiter ist angedeutet ( + -j in den Leiter hineinfließender Strom, ## aus dem Leiter flieder Strom). Im Stator 6.2 sind die Phasen R, S, T dargeteilt. Es ist zu sehen, daß in dem dargestellten Zeitpunkt (t1) die Phase T stromlos ist. Für die Stromdarstellung in den Phasen R, S und T ist Generatorbetrieb mit ohmscher Last angenommen. (Siehe auch Figur 8.2 Spannungszeiger zum Zeitpunkt t1 und Figur 8.3 zeitlicher Verlauf der Spannungen) Aus Figur 8.1 ist zu sehen, daß die Spule T zum Zeitpunkt t1 optimal transformatorisch mit der Erregerwicklung 63 des Rotors 6.1 gekoppelt ist. Die Kopplungsfaktoren KR, XS und KT der Phasen RST sind zusätzlich in Figur 8.3 eingetragen. Wird in der Zeit zwischen t1 und t2 eine Erregerstromänderung von il auf i2 vorgenommen, so wiid in der Spule der Phase T die Spannung UT induziert (Streckenzug a, b, c, d). Da zu den Phasen S und R auch ein Kopplungsfaktor besteht, werden zum gleichen Zeitpunkt auch in die Phasen R und S Spannungen induziert (Streckenzug e, f, g, h für Phase R und i, å, k, 1 für Phase S). Die eingekoppelte Spannung der Fhase R ist doppelt schraffiert dargestellt. Eine Stromkommutierung von der Phase S auf die Phase T zum Zeitpunkt tl ist möglich, wenn die induzierte Differenzspannung beider Phasen die induktiven ohmschen und Ventilspannungsabfälle beider Phasen decken kann. Der besseren Übersicht wegen sind die Ventil- und ohmschen Spannungsabfälle 18 in Figur 8.3 nicht dargestellt.
Figur 8.3 zeigt, daß sich die induzierten Spannungen der Phasen T und S im Sinne der Kommutierung unterstützen.
Nach erfolgter Kommutierung kann der Erregerstrom wieder von i2 auf i1 reduziert werden, um für die anschließende Kommutierung bereit zu sein. Der Einfluß der Erregerstromreduzierung von i2 auf il auf die Maschinen-EMK ist nicht dargestellt. Der optimale Kommutierungseffekt liegt bei dem Wechselrichterbetrieb bei einem Aussteuerwinkel von etwa 180° und bei Gleichrichterbetrieb bei einem Aussteuerwinl:el von 00.
Sowohl bei dem Steuerwinkel O (Gleichrichterbetrieb) als auch bei dem Steuerwinkel 180° (Wechse,richterbetriebß werden Maschinen und Stromrichter infolge des optimalen cos # ebenfalls optimal genutzt.
Figur 9 zeigt einen Vorschlag der Kommutierungsunterstützung mit Hilfe der Erregerspannungsänderung bei einer Schleifringläufermaschine 55. Bei den SchleifringläuSerschien entstehen die Kommutierungsprobleme nicht bei kleiner Drehzahl oder Drehzahl 0, sondern im Bereich des Synchronismus beim Ubergang vom Untersynchron- in den WDersynchrondrehzahlbereich oder umgekehrt.
Die Schleifringiäufermaschine 55 wird ständerseitig vom Maschinenstromrichter gespeist (Maschinenstromrichter nicht dargestellt) und ist läuferseitig über die Kommutierungs-Spannungsübertrager 56 direkt mit dem Drehstromnetz über antiparallele Thyristoren 60 bis 62 verbunden. Die Kommutieruns-Zusatzspannung wird im Kommutierungsaugenblick, beispielsweise zum Zeitpunkt t1 oder t3 nach Figur 3.3 nach vorangegangener Löschung der antiparallelen, die Primärwicklungen 56R bis 56S kurzschließenden Thyristoren 67 bis 59 über die gleichzeitige Ansteuerung der antiparallelen Thyristoren 60 bis 62 in dem Kommutierungsspannungsübertrager 56 erzeugt.

Claims

Kommutierungseinrichtung für einen Maschinenstromrichter Patentansprüche X Kommutierungseinrichtung für einen eine mehrphasige elektrische Maschine speisenden Maschinenstromrichter eines im Vier-Quadranten-Betrieb arbeitenden Umrichters mit Gleichstromzwischenkreis, dadurch gekennzeichnet, daß an die maschinenseitigen Ausgänge des Maschinen s-romlrichters (4) die Sekundärwicklungen eines Span nungsübertragers (5) angeschlossen sind, über dessen Primärwicklungen vorzeichengerecht eine Zusatzspannung derart in die jeweilige Phase (R,S,T,) einspeisbar ist, daß die notwendige Kommutierungsspannung für die Ventile (4.1 bis 4.6) des Maschinenstromrichters (4) stets zur Verfügung steht.
2. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Primärwicklungen des Spannungsübertragers (5) jeweils ein Wechselrichter angeschlossen ist, wobei die Wechselrichter (12) über Nittelanzapfungen der Primärwicklungen miteinander verbunden und an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
3. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dle Gleichspannungsquelle durch einen ersten Gleichrichter (11) gebildet ist, an den gleichspannung,- oder wechselspannungsseitige Lastbegrenzungswiderstänle (10, 30.15, 30 16) angeschlossen sind und der wechselc,pannungsseitig über einen Anpassungstransformator (9) vo dem Netz, an das der Netzstromrichter (2) des Umrichters angeschlossen ist, gespeist wird.
4, Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeicbnet, daß die Gleichspannungsquelle durch einen weiteren Gleichrichter (8) gebildet ist, der mit dem ersten Gleichrichter (1") gleichspannungsseitig in Reihe geschaltet ist und der wechselspannungsseitig über Stromübertrager (7) von dem Netz, an das der Netzstromrichter (2) angeschlossen ist, gespeist wird.
5. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen des Spannungsübertragers (5) über einen Direktumrichter (31) mit dem Netz, an das der Netzstromrichter (2) des Umrichters angeschlossen ist, verbunden sind.
6. Kommutierungseinrichtung für einen den Lastkreis einer mehrphasigen elektrischen Maschine speisenden Maschinenstromrichter eines im Vier-Quadranten-Betrieb arbeitenden Umrichters mit Gleichstromzwischeneis, wobei die Maschine eine zugängliche Erregerwicklung für Gleich- oder Wechselstrom aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (63) mit einer Vorrichtung verbunden ist, die eine Zusatzspannung zur transformatcrischen Übertragung in den Lastkreis der Maschine vorzeichengerecht derart bereitstellt, daR die notwendige Kommutierungsspannung für die Ventile des Maschinenstromrichters (4) stets zur Verfügung steht.
7. Rommutierungseinrichtung nach Anspruch 6 für eine Maschine mit Gleichstromerregung, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung durch einen zusätzlichen Stromsollwertgeber (58) gebildet ist, der kurzzeitig im Umdrehungstakt der Maschine über einen elektronischen Schalter (37) zu der Sollwertvorgabe für den Erregerstrom hinzugeschaltet wird.
8. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 6 für eine Maschine, deren Erregerwicklung aus einem Wechselstromnetz gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung mit den Sekundärwicklungen eines Stromübertragers (56) verbunden ist, dessen Primärwicklungen über antiparallele Thyristoren (60 bis 62) an das die Erregerwicklung speisende Wechselstrorinetz angeschlossen sind.
9. Kommutierungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch zekennzeichnet, daß die Primärwicklungen des Stromübertragers (56) kurzschließbar sind.