DE3035305A1

DE3035305A1 - Wechselrichterschaltung fuer den antrieb eines synchronmotors

Info

Publication number: DE3035305A1
Application number: DE19803035305
Authority: DE
Inventors: Yasuhiko Kobe Kyogo Hosokawa; Kanji Takarazuka Hyogo Katuki; Toshio Takarazuka Hyogo Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1979-09-19
Filing date: 1980-09-18
Publication date: 1981-03-26
Also published as: DE3035305C2; US4327314A; JPS5947559B2; JPS5644398A

Description

Wechselrichterschaltung für den Antrieb eines Synchronmotors

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung für den Antrieb eines Synchronmotors mittels mehrerer in Multiplexbeziehung angeordneter Wechselrichtereinheiten.

Mit der Entwicklung der schnell schaltenden Halbleitervorrichtungen hat sich in jüngster Zeit das Anwendungsfeld für Wechselrichtersysteme für die Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung erweitert, und derartige Systeme werden insbesondere verbreitet für die Steuerung des Betriebs von Wechselstrommotoren eingesetzt. Hierbei müssen die an solche Motoren angelegten Spannungs- und Stromwellenformen wünschenswerterweise eine geringe Welligkeit besitzen. Zu diesem Zweck werden mehrere Wechselrichtereinheiten in Multiplexbeziehung angeordnet, wobei Transformatoren zwischen die Wechselrichtereinheiten und einen zugeordneten Elektromotor eingeschaltet werden. Bei der Ansteuerung eines Synchronmotors durch diese in Multiplexanordnung geschalteten Wechselrichter müssen diese den Motor an seiner Wechselspannungsseite mit einer Null betragenden Betriebsfrequenz antreiben, d.h. mit einem Gleichstrom beim Anfahren des Motors und dergl.. Dies führt zu dem Problem, daß die Transformatoren in den Sättigungszustand übergehen. Aus diesem Grund wurden Multiplex-Wechselrichtersysteme der bisherigen Konstruktion nicht

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für den Betrieb von Synchronmotoren eingesetzt.

Zur Vermeidung der genannten Schwierigkeit sind Multiplex-Wechselrichtersysteme bekannt, die eine Gleichspannungsquelle , einen ersten Satz aus drei in Parallelanordnung über die Gleichspannungsquelle geschalteten Umsetzern, von denen Je einer für jede Phase des Systems vorgesehen ist, einen zweiten Satz aus drei ebenfalls mit der Gleichspannungsquelle parallelgeschalteten Wechselrichtern, von denen je einer für jede Phase des Systems vorhanden ist, wobei alle Wechselrichter einander identische Konstruktion besitzen, und einen Dreiphasen-Synchronmotor mit drei Phasenwicklungen umfassen, wobei jeder Wechselrichter des ersten Satzes mit zwei Ausgängen über eine Sekundärwicklung eines elektrisch isolierten Transformators, der über zwei Ausgänge der zugeordneten Wechselrichter des zweiten Satzes geschaltet ist, an eine zugeordnete Phasenwicklung des Synchronmotors angeschlossen ist.

Beim Anfahren des Synchronmotors werden die drei Wechselrichter des zweiten Satzes nur zum Kurzschließen der zugeordneten Transformatoren betätigt, während nur die drei Wechselrichter des ersten Satzes zur Lieferung von elektrischem Strom zum Synchronmotor betätigt werden, so daß dieser anläuft. Wenn eine von der Wechselspannungsseite der Wechselrichter des ersten Satzes gelieferte Arbeits- oder Betriebsfrequenz von der Größe Null auf einen vorbestimmten Frequenzwert ansteigt, werden die Wechselrichter des zweiten Satzes zur Durchführung der Wechselrichterfunktion eingeschaltet, um an den Sekundärwicklungen der zugeordneten Transibnnatoren Spannungen mit Rechteckwellenform zu induzieren. Infolgedessen werden die Ausgangsspannungen der Wechselrichter des ersten Satzes zu denen der zugeordneten zweiten Wechselrichter addiert und dann an die betreffende Phasenwicklungen des Synchronmotors angelegt. Die Wechsel-

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richter beider Sätze werden damit für den Betrieb als Multiplex-Wechselrichtersystem in Betrieb gesetzt.

Die bisherigen Multiplex-Wechselrichtersysteme der beschriebenen Art lassen mithin den Synchronmotor mit Gleichstrom anfahren, bis der Synchronmotor mit einem Wechselstrom einer beliebigen Frequenz betrieben wird.

Bei diesen bisherigen Multiplex-Wechselrichtersystemen muß jedoch der Synchronmotor über sechs Stromspeiseleitungen, d.h. je zwei Leitungen für jede Motorphase, elektrisch mit den beiden Wechselrichtersätzen verbunden sein» Die Zahl der erforderlichen Bauteile ist dabei ebenfalls groß. Selbst wenn beispielsweise ein Wechselrichterpaar des ersten und des zweiten Satzes für jede Phase des Systems zu einem Einzelphasen-Wechselrichter aus zwei Halbleiter-Wechselrichtern mit jeweils vier Thyristoren geformt wird, die in Brückenschaltungskonfiguration geschaltet und in an sich bekannter Weise an die Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, muß für jede Phase des Systems jeweils ein einziger dieser Einzelphasen-Wechselrichter vorgesehen sein. Die bisherigen Multiplex-Wechselrichtersysteme oder -Schaltungen der vorstehend beschriebenen Art sind daher insofern nachteilig, als die durch sie gebildeten Systeme große Abmessungen besitzen und zudem kostenaufwendig sind.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Ausschaltung der vorstehend geschilderten Mängel des Standes der Technik durch Schaffung einer Wechselrichterschaltung für den Antrieb eines Synchronmotors unter Verwendung einer Anzahl von in Dreiphasen-Vollwegkonfiguration geschalteten Dreiphasen-Wechselrichtern und unter Verringerung der Zahl der die Dreiphasen-Wechselrichter elektrisch mit dem Synchronmotor verbindenden Stromspeiselc-itungen auf vier

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Leitungen, indem die Phasenwicklungen des Synchronmotors in Sternschaltung geschaltet werden und eine der Stromspeiseleitungen als Neutralleitung für den Synchronmotor benutzt wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Wechselrichterschaltung für den Antrieb eines Synchronmotors erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie einen Synchronmotor mit in Sternschaltung angeordneten Phasenwicklungen sowie einem Satz von Dreiphasen-Wechselspannungseingangsklemmen und einer Neutralklemme, eine Gleichspannungsquelle mit einer positiven oder Plusklemme, einer negativen bzw. Minusklemme und einer Zwischenklemme zur Abnahme einer mittleren oder Zwischenspannung zwischen den Spannungen an Plus- und Minusklemme, wobei die Zwischenklemme mit der Neutralklemme des Synchronmotors verbunden ist, eine Anzahl von N (N = eine ganze Zahl größer als 1) Dreiphasen-Wechselrichtern, die in Parallelschaltungsanordnung über Plus- und Minusklemme der Gleichspannungsquelle geschaltet sind und die jeweils einen Satz von Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemmen aufweisen und einen Gleichstrom von der Gleichspannungsquelle in einen Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln, und (N-1) elektrisch isolierte Dreiphasen-Transformatoren aufweist, die jeweils mit dem (N-1)ten Wechselrichter so verbunden sind, daß die Primärwicklungen der einzelnen Dreiphasen-Transformatoren in Sternschaltung mit dem Satz der Dreiphasen-Wechselspannungsklemmen des angeschlossenen Dreiphasen-Wechselrichters verbunden sind und ihre Sekundärwicklungen in Reihenschaltung mit denen der anderen Dreiphasen-Transformatoren verbunden sind und jeweils eine Reihenkombination für jede Phase der Schaltung bilden, daß die in Sternschaltung angeordneten Primärwicklungen jedes Dreiphasen-Transformators einen an die Zwischenklemme der Gleichspannungsquelle angeschlossenen Neutralpunkt aufwei-

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sen und daß die Reihenkombinationen an der einen Seite mit dem Satz der Dreiphasen-Wechselspannungseingangsklemmen des Synchronmotors und an den anderen Seiten mit dem Satz der Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemmen der nicht mit dem Dreiphasen-Transformator verbundenen Dreiphasen-Wechselrichter verbunden sind«

In vorteilhafter Ausgestaltung kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß jeder Dreiphasen-Wechselrichter drei Halbleiter-Wechselrichter mit jeweils vier in einer Brückenschaltung angeordneten Thyristoren sowie eine Reihenkombination aus einem Kommutierungs- bzw. Sperrkondensator und einer Kommutierungsdrossel aufweist, welche über zwei diametral gegenüberliegende Verzweigungen der Brückenschaltung geschaltet ist, deren eine Verzweigung mit einer zugeordneten Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemme des Dreiphasen-Wechselrichters verbunden ist*

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert» Es zeigen:

Fig„ 1 ein Blockschaltbild eines bisherigen Multiplex-Wechselrichtersystems für den Antrieb 'eines Synchronmotors,

Fig« 2 ein Schaltbild eines Einzelphasen=Wechselrichters gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein teilweise in Blockschaltbildform gehaltenes Schaltbild einer Wechselrichterschaltung gemäß der Erfindung für den Antrieb eines Synchronmotors,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Dreiphasen-Wechselrichters gemäß Fig. 3,

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Fig. 5 eine graphische Darstellung der an verschiedenen Stellen der Anordnung nach Fig. 4 auftretenden Wellenformen und

Fig. β und 7 graphische Darstellungen der an verschiedenen Stellen der Anordnung nach Fig. 3 auftretenden Wellenformen.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 1 veranschaulicht ein bisheriges Multiplex-Wechselrichtersystem für den Antrieb eines Synchronmotors„ Die dargestellte Anordnung umfaßt eine Wechselspannungsquelle

10 mit einer Plus- und einer Minusklemme P bzw» N, eine Dreiergruppe aus ersten Wechselrichtern 12a, 12b und 12c, die in Parallelschaltungsanordnung über Plus- und Minusklemme P bzw. W geschaltet sind, eine weitere Dreiergruppe aus zweiten Wechselrichtern I4a_s I4b und I4c, die auf ähnliche Weise in Parallelschaltung über die beiden Klemmen P und N geschaltet sind, sowie drei elektrisch isolierte Transformatoren I6a_s 16b und I6c₅ die über die Wechselstromausgänge der zweiten Wechselrichter I4a_? I4b bzw= 14c £öschaltet sind. Ein Synchronmotor 18 wird durch alle die-

11 7/eciiselrichter gespeist,, Insbesondere weist jeder der ersten Wechselrichter 12a - 12c zwei Wechselstrom- oder

rpa^iMiügSeiussänge &uf ₉ von denen der eine über eine zugeordnete Stromspeise-Leitung 2Oa₉ 20b oder 20c mit je einer von drei Phasenwicklungen 18a₉ 18b bzw. 18c des Synchronmotors 13 verbunden und der andere an eine Sekuniä"^V7.icKlur,£ des: zugeordneten Transformators I6a₅ 16b bzw. I6c angeschlossen ist» Die Sekundärwicklung jedes Trans-

16a - I6c ist über eine weitere Stromspeise-Lei-22a, 22b bzwo 22c mit der (betreffenden) Phasenwicklung 18a, 18b bzw, 18c des Synchronmotors 18 in Reihe geschaltet,

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BAD

Jedes Paar der ersten und zweiten Wechselrichter 12a und 14a, 12b und 14b bzw. 12c und I4c besitzt die Schaltungsanordnung nach Fig. 2. Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei Haupt-Thyristoren 11-30 und 11-32 in Reihe an die gleiche Polarität angeschlossen, und sie bilden mit zwei ähnlich geschalteten Hilfs-Thyristoren 11-34 und 11-36 eine Brückenschaltung. Eine Halbleiter-Rückkopplungsdiode 11-38 oder 11-40 ist mit der entgegengesetzten Polarität über den Haupt-Thyristor 11-30 bzw. 11-32 geschaltet. Die Brückenschaltung enthält zwei über Plus- und Minusklemme P bzw. N der in Fig. 2 nicht dargestellten Gleichstromquelle 10 geschaltete Gleichspannungseingänge und zwei Wechselspannungsausgänge, über die eine Kommutierungsdrossel 11-42 und ein Kommutierungs- bzw. Sperrkondensator 11-44 in Reihe geschaltet sind. Die beschriebenen Bauteile bilden einen an sich bekannten Halbleiter-Wechselrichter.

Die Anordnung nach Fig. 2 enthält weiterhin eine Nachbildung (replica) des vorstehend beschriebenen Halblexter-Wechselrichters, der über Plus- und Minusklemme P bzw. N geschaltet ist und den vorstehend beschriebenen Bauteilen identische,mit denselben Bezugsziffern mit vorgestelltem Symbol 12 bezeichnete Bauteile aufweist. Beispielsweise ist mit 12-10 ein dem Bauteil 11-10 identischer Haupt-Thyristor bezeichnet.

Die Anordnung nach Fig. 2 ist als Einphasen-Wechselrichter an sich bekannt, so daß auf die genaue Beschreibung ihrer Arbeitsweise verzichtet werden kann. Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 1 sei jedoch erwähnt, daß eine an Plus- und Minusklemme P bzw. N anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung in Form einer Reihe von Rechteckwellen umgewandelt wird,

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die ihrerseits an Wechselspannung-Ausgangsklemmen A₁ und A auftritt, welche an die Verzweigungen zwischen den Haupt-Thyristoren 11-30 und 1-32 bzw. 12-30 und 12-32 angeschlos sen sind.

Beim Anfahren des Synchronmotors 18 werden die an die isolierten Transformatoren I6a - 16c angeschlossenen Wechselrichter 14a - 14c nicht als Wechselrichter, sondern nur zum Kurzschließen der betreffenden Transformatoren betrieben. Insbesondere wird bei gleichzeitiger Anlegung eines Leitungssignals (conduction signal) an die Haupt-Thyristoren 11-30 und 12-30 oder 11-32 und 12-32 keine Spannung an den Wechselspannung-Ausgangsklemmen A₁ und Ap erzeugt, vielmehr kann lediglich ein Strom frei über diese Klemmen fließen. Unter diesen Bedingungen werden nur die ersten Wechselrichter 12a - 12c zur Lieferung eines elektrischen Stroms zum Synchronmotor 18 betrieben oder betätigt, bis sich an ihrer Wechselspannungsseite eine Betriebsfrequenz von der Größe Null aus entwickelt. Wenn die Betriebsfrequenz eine vorbestimmte Größe erreicht, werden die zweiten Wechselrichter 14a - 14c eingeschaltet und als Wechselrichter betrieben, wobei Spannungen mit Rechteckwellenform über die Sekundärwicklungen der elektrisch isolierten Transformatoren 16a - 16c induziert werden. Infolgedessen wird die Summe aus der Ausgangsspannung jedes ersten Wechselrichters und derjenigen des zugeordneten zweiten Wechselrichters an eine zugeordnete Phasenwicklung 18a, 18b bzw. 18c des Synchronmotors 18 angelegt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Betrieb der Anordnung nach Fig. 1 als Multiplex-Wechselrichtersystem eingeleitet.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß mit der Anordnung nach Fig. 1 der Synchronmotor in an sich bekannter Weise in einem Bereich von Gleichspannung- bis Wechsel-

spannung-Betriebsart mit Jeder beliebigen Frequenz betrieben werden kann.

Die bisherigen Wechselrichtersysteme der vorstehend umrissenen Art sind deshalb nachteilig, weil sechs Stromspeise-Leitungen für die Verbindung des Synchronmotors mit den Wechselrichtern erforderlich sind und notwendigerweise ein Paar erster und zweiter Wechselrichter bzw, ein Einzelphasen-Wechselrichter gemäß Fig. 2 für Jede Phase des Synchronmotors vorgesehen sein muß_s so daß die Schaltung groß und kostenaufwendig wird.

Die Erfindung bezweckt die Ausschaltung der Mängel des vorstehend beschriebenen Standes der Technik durch Schaffung einer Wechselrichterschaltung für den Betrieb eines Synchronmotors unter Verwendung eines Dreiphasen-Wechselrichters in Dreiphasen-Vollwegbrückenschaltung als Wechselrichtereinrichtung mit vier Stromspeise-Leitungen zu einem Synchronmotor mit drei in Sternschaltung vorliegenden Phasenwicklungen_s wobei die eine Leitung als Neutralleitung (Nulleiter) zum Synchronmotor benutzt wird»

Fig« 3 veranschaulicht eine Ausführungsform der erfindungs= gemäßen Wechselrichterschaltung für den Antrieb eines Synchronmotors, Dabei ist eine Gleichstromquelle 10 mit zwei in Reihe geschalteten Gleichrichterkreisen 10a und 1Ob₅ die den positiven bzw» den negativen Teil der Schaltung bilden ₂ zx^ei Drosseln bzw,, Spulen 50a und 50b, welche die zugeordneten Gleichrichterkreise 10a bzw₀ 10b mit Plus- bzw» Minusklemme P bzw. N verbinden₅ und zwei Kondensatoren 52a und 52b vorgesehen_s die über Plus- und Minusklemme P bzw. N und eine Zx^ischenklemme C geschaltet sindo Letztere ist an die Verzweigung bzw» Verbindung zwischen den Gleichrichterkreisen 10a und 10b angeschlossen=

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Eine Anzahl von N Dreiphasen-Wechselrichtern 14-1, 14-2, ..., 14-N ist in Parallelschaltung über Plus- und Minusklemme P bzw. N geschaltet, indem ihre positiven bzw. Pluseingänge P. gemeinsam an die Plusklemme P und ihre negativen bzw. Minuseingänge N. gemeinsam an die Minusklemme N der Stromquelle 10 angeschlossen sind» Jeder dieser Dreiphasen-Wechselrichter 14-1 bis 14-N enthält drei Wechselspannung-Ausgangsklemmen R, S und T₈ die einen Satz von Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemmen bilden.

Die Dreiphasen-Wechselrichter 14-1 bis 14-N besitzen jeweils vorzugsweise die Schaltungskonfiguration nach Fig.4, die sich von derjenigen gemäß Fig. 2 nur dadurch unterscheidet, daß der beschriebene Halbleiter-Wechselrichter für jede Phase der Schaltung vorgesehen ist. Dies bedeutet, daß die drei Halbleiter-Wechselrichter in Parallelschaltung über Plus- und Minuseingangsklemme P. bzw. N geschaltet sind und die Wechselspannung-Ausgangsklemmen R, S und T aufweisen.

Im Schaltbild von Fig. 4 sind die den Teilen von Fig. 2 entsprechenden Bauteile der Halbleiter-Wechselrichter mit den Ausgängen R und S sowie die Teile des Halbleiter-Wechselrichters mit dem Wechselspannungsausgang T mit denselben Bezugsziffern wie vorher, jedoch mit einem vorangestellten Symbol 13 bezeichnet. Beispielsweise ist mit 13-32 der Haupt-Thyristor bezeichnet, welcher dem betreffenden Bauteil 11-32 oder 12-32 entspricht.

Gemäß Fig. 3 sind erster, zweiter, ..., (N-i)ter Dreiphasen-Wechselrichter 14-1, 14-2, ..., 14-(N-1) mit einem ersten, einem zweiten, ..., einem (N-i)ten elektrisch isolierten Dreiphasen-Transformator 16-1 , 16-2, *.., 16-(N-1)

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verbunden. Da diese Dreiphasen-Transformatoren jeweils gleich aufgebaut sind, ist im folgenden nur einer, z.B. der erste Transformator 16-1 im einzelnen erläutert. Dieser Dreiphasen-Transformator 16-1 weist drei Primärwicklungen 16-1 a - 16-1c auf, die an der einen Seite mit den Wechselspannung-Ausgangsklemmen R, S bzw. T des zugeordneten Dreiphasen-Wechselrichters und an der anderen Seite mit einem Neutralpunkt verbunden sind, der seinerseits an die Zwischenklemme C der Stromquelle 10 angeschlossen ist. Die drei Primärwicklungen 16-1 a - i6-1c sind somit in Sternschaltung angeordnet. Der Transformator 16-1 weist zudem drei Sekundärwicklungen 16-Id - 16-If für jeweils eine Phase der Schaltung auf.

Die Wicklungen der restlichen Transformatoren sind mit den jeweiligen Bezugsziffern für den betreffenden Transformator j zuzüglich eines angehängten Buchstabens a, b, c, d, e bzw. f bezeichnet. Beispielsweise ist mit i6-2d die Sekundärwicklung des zweiten Transformators 16-2 bezeichnet, welche bezüglich der Phase der Schaltung der Sekundärwicklung 16-Id des ersten Transformators entspricht.

Für jede Phase der Schaltung sind die Sekundärwicklungen aller Dreiphasen-Transformatoren in Reihe zusammengeschaltet, so daß eine Reihenschaltung aus den Sekundärwicklungen gebildet wird. Beispielsweise bilden die phasengleichen Sekundärwicklungen 16-1a bis 16-Na eine Reihenschaltung. Drei so gebildete Reihenschaltungen aus den Sekundärwicklungen sind am einen Ende mit den Wechselspannung-Ausgangsklemmen 16-R, 16-S und 16-T, die einen Satz von Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemmen für die Dreiphasen-Transformatoren 16-1 bis 16-N bilden, und am anderen Ende mit Wechselspannung-Ausgangsklemmen 14-NR, 14-NS und 14-NT verbunden, welche den anderen Satz entsprechender

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Ausgangsklemmen bilden und an die Wechselspannungsausgänge R, S und T des N-ten Dreiphasen-Wechselrichters 14-N angeschlossen sind.

Die Wechselspannung-Ausgangsklemmen 16R, 16S und 16T sind über drei Stromspeise-Leitungen 20a, 20b bzw. 20c mit drei in Sternschaltung angeordneten Phasenwicklungen 18a, 18b bzw. 18c des Synchronmotors 18 verbunden. Die Klemmen 16R, 16S und 16T dienen daher auch als Satz von Wechselspannung-Eingangsklemmen für den Synchronmotor 18. Ein Neutralpunkt, an dem die Phasenwicklungen 18a - 18c zusammengeschaltet sind, ist über eine Neutralleitung 22 mit einer Neutral- oder Nullklemme 18N des Synchronmotors 18 verbunden, der anschließend an die Zwischenklemme C der Stromquelle 10 angeschlossen ist.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 4 ist an sich bekannt und braucht daher nicht im einzelnen erläutert zu werden. Zum besseren Verständnis der Erfindung ist jedoch die Schaltung gemäß Fig. 4 bezüglich der Art und Weise beschrieben, auf welche eine Wechselspannung in Form einer Rechteckwellenreihe an den einzelnen Wechselspannung-Ausgangsklemmen R, S und T sowie an der Zwischenklemme C der Stromquelle 10 erzeugt wird; die Beschreibung bezieht sich dabei auf Fig. 5, in welcher die an verschiedenen Punkten der Anordnung nach Fig. 4 erscheinenden Wellenformen dargestellt sind.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 sind alle Haupt-Thyristoren in eine positive Gruppe mit den Haupt-Thyristoren 11-30 bis 13-30 und in eine negative Gruppe mit den Thyristoren 11-32.bis 13-32 unterteilt. Die positive Gruppe ist der negativen Gruppe wirkungsmäßig zugeordnet, so daß drei Paare von Haupt-Thyristoren, nämlich je ein Paar für jede

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Phase des Systems, gebildet werden. Die Haupt-Thyristoren jedes Paars, z.B. die Thyristoren 11-30 und 11-32, werden abwechselnd durchgeschaltet. Wenn beispielsweise der Haupt-Thyristor 11-30 durchgeschaltet ist und der Thyristor 11-32 sperrt, entspricht das Potential an der Wechselspannung-Ausgangsklemme R dem Potential an der Gleichspannung-Eingangsklemme Pj„. Im umgekehrten Schaltzustand ist dagegen das Potential an der Ausgangsklemme R dem Potential an der Gleichspannung-Eingangsklemme N. gleich. Infolgedessen wird eine am Kondensator 52a anliegende Gleichspannung von der Stromquelle 10 im Leitzustand des Haupt-Thyristors 11-30 an die Wechselspannung-Ausgangsklemme R und die Zwischenklemme C angelegt (vgl. oberste Wellenform "Durchschaltsignal für 11-30" in Fig. 5). Andererseits wird die am Kondensator 52b anliegende Spannung von der Stromquelle 10 im Leitzustand des Thyristors 11-32 mit umgekehrter Polarität an die Wechselspannung-Ausgangsklemme R und die Zwischenklemme C angelegt (vgl. mittlere Wellenform in Fig. 5). Im letzteren Fall besitzt die Spannung am Kondensator 52a dieselbe Größe wie die Spannung am Kondensator 52b. Demzufolge entsteht eine Spannung in Form einer Rechteckwellenreihe an Ausgangsklemme R und Zwischenklemme C der Stromquelle 10, wie dies in Fig. 5 bei "R-C-Spannung" dargestellt ist.

Indem auf ähnliche Weise das Durchschalten der Haupt-Thyristoren 12-30 und 12-32 gesteuert wird, wird eine ähnliche Wechselspannung in Form einer Rechteckwellenreihe an der Wechselspannung-Ausgangsklemme S und an der Zwischenklemme C erzeugt.

Eine ähnliche Wechselspannung in Form einer Rechteckwellenreihe entsteht an der Wechselspannung-Ausgangsklemme T und an der Zwischenklemme C durch entsprechende Steuerung des

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Durchschaltens der Haupt-Thyristoren 13-30 und 13-32.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 3 ist im. folgenden unter der Voraussetzung, daß N = 3 j und in Verbindung mit Fig. 6 erläutert, welche die an verschiedenen Punkten bei der Anordnung nach Fig. 3 entstehenden Wellenformen zeigt. Unter den angenommenen Bedingungen wird die Anordnung nach Fig. 3 so modifiziert, daß erster und zweiter Dreiphasen-Wechselrichter 14-1 bzw. 14-2 mit erstem bzw. zweitem Dreiphasen-Transformator 16-1 bzw. 16-2 verbunden sind und der N-te, d.h. in diesem Fall dritte Wechselrichter 14-N, unmittelbar mit den drei Klemmen 14-NR, 14-NS und 14-NT der drei Sekundärwicklungen i6-2d - i6-2f des zweiten Transformators 16-2 verbunden ist.

Bei jedem Wechselrichter werden die Haupt-Thyristoren abwechselnd in ihren Durchschalt- und Sperrzustand versetzt, und zwar in Abhängigkeit von den an sie angelegten Befehlsspannungen, so daß sich die Wechselspannungen in Form einer Rechteckwellenreihe an jeder der Dreiphasen-Wechselspannungsklemmen R, S und T sowie an der Zwischenklemme C der Stromquelle 10 ergeben, wie dies aus der Beschreibung in Verbindung mit Fig. 4 hervorgehen dürfte. Die durch den ersten Wechselrichter 16-1 erzeugte Dreiphasen-Wechselspannung wird an die drei Primärwicklungen i6-1a bis 16-Ic des ersten Dreiphasen-Transformators angelegt (vgl. oberen Teil der Wellenform A in Fig. 6), so daß an den drei Sekundärwicklungen 16-Id bis i6-1f Wechselspannungen mit einander gleicher Wellenform induziert werden (vgl. unteren Teil der Wellenform gemäß Fig. 6).

Auf ähnliche Weise wird die vom zweiten Dreiphasen-Wechselrichter 14-2 erzeugte Dreiphasen-Wechselspannung an die drei Primärwicklungen i6-2a bis i6-2c des zweiten Transfor-

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mators 16-2 angelegt (vgl. oberen Teil der Wellenform B gemäß Fig. 6), um in den drei Sekundärwicklungen i6-2d bis i6-2f einander gleiche Wechselspannungen zu induzieren (vgl. unteren Teil der Wellenform B in Fig. 6).

Schließlich wird die durch den dritten Wechselrichter 16-N erzeugte Dreiphasen-Spannung an die Neutralklemme 18N des Synchronmotors 18 sowie an die Wechselspannung-Ausgangsklemmen 14-NR, 14-NS und 14-NT angelegt, die mit den drei Sekundärwicklungen i6-2d bis i6-2f des zweiten Transformators 16-2 verbunden sind.

Wie erwähnt, sind die drei Sekundärwicklungen des ersten Dreiphasen-Transformators 16-1 in Reihe an die phasengleichen Sekundärwicklungen des zweiten Transformators 16-2 angeschlossen, so daß in jeder Phase der Schaltung die Spannungen von diesen beiden Transformatoren addiert werden. Demzufolge erscheint die Summe der Spannungen an einer zugeordneten der Wechselspannung-Ausgangsklemmen 14-FR, 14-NS und 14-NT sowie an der damit verbundenen Wechselspannung-Ausgangsklemme 16R, 16S bzw. 16T. Beispielsweise erscheint an den Klemmen 14-NR und 16R die Summe aus der an der Sekundärwicklung i6-1d des ersten Dreiphasen-Transformators 16-1 induzierten Spannung und der an der Sekundärwicklung i6-2d des zweiten Dreiphasen-Transformators 16-2 induzierten Spannung.

Das gleiche gilt auch für die restlichen Phasen des Systems.

Infolgedessen erscheinen am Neutralpunkt 18N und an den Klemmen 16R, 16S und 16T Spannungen, die jeweils dadurch entstehen, daß die Wechselspannungen der Dreiphasen-Wechselrichter 16-1 bis 16-N für jede Phase der Schaltung miteinander addiert werden. Die Wellenform C gemäß Fig«,

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entspricht einer an der Klemme I6-NR und an der Neutralklemme 18N erscheinenden Spannung.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß die unter Einbeziehung der drei Dreiphasen-Wechselrichter und der drei Dreiphasen-Transformatoren modifizierte Schaltung nach Fig. 3 die Ausgangsspannung(en) von den Dreiphasen-Wechselrichtern im Multiplexbetrieb auf drei Stufen aufzuteilen und die betreffenden Ausgangsspannungen an die drei Phasenwicklungen 18a - 18c des Synchronmotors 18 anzulegen vermag. Der resultierende Strom fließt somit durch die einzelnen Phasenwicklungen 18a - 18c des Synchronmotors 18, wobei Welligkeit des Stroms gering gehalten wird (vgl. Wellenform E in Fig. 6).

Es ist somit ersichtlich, daß die Anordnung nach Fig. 3 die Ausgangsspannungen von den Dreiphasen-Wechselrichtern in mehreren Stufen zu multiplexen bzw. mehrfach auszunützen vermag, wobei sich die Zahl dieser Stufen durch die Zahl der verwendeten Wechselrichter bestimmt und diese Spannungen in jeder Phasenwicklung 18a - 18c des Synchronmotors 18 mit einem Strom geringer Welligkeit fließen.

Nachstehend ist die Anordnung gemäß Fig. 3 in Verbindung mit der Anlaß- oder Anfahrbetriebsart anhand von Fig. 7 beschrieben, in welcher die in dieser Betriebsart an verschiedenen Stellen der Anordnung auftretenden Wellenformen dargestellt sind. Bei einer unter einer vorbestimmten Größe liegenden Ausgangsfrequenz der drei Dreiphasen-Wechselrichter werden alle Dreiphasen-Wechselrichter, mit Ausnahme des N-ten Wechselrichters 16-N, betätigt, um die Haupt-Thyristoren der in Verbindung mit Fig. 4 beschriebenen positiven und negativen Gruppen abwechselnd in vorbestimmten gleichen Zeitintervallen zu schalten, ohne die Wechsel-

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riehteroperation durchzuführen. Dabei besitzt der Haupt-Thyristor der positiven Gruppe, z.B. der Thyristor 11-30 (Fig. 4), dieselbe Durchschaltzeitspanne wie derjenige der negativen Gruppe, z.B. der Thyristor 11-32, für jede Phase des Systems. Dies bedeutet, daß die Primärwicklungen der einzelnen, an die Dreiphasen-Wechselrichter angeschlossenen Dreiphasen-Transformatoren, z.B. der Transformatoren 16-1 und 16-2, mit entsprechenden Rechteckspannungen gespeist werden, die jeweils einen dem negativen Teil flächengleichen positiven Teil enthalten (vgl_o Wellenformen A und B in Fig. 7). Hierdurch wird eine Sättigung der Dreiphasen-Transformatoren verhindert.

Gleichzeitig wird der N-te Dreiphasen-Wechselrichter 16-N in der normalen Wechselrichterbetriebsart gehalten, so daß die Dreiphasen-Wechselspannung vom Wechselrichter 16-N über die Neutralklemme 1SN und die Klemmen 14-NR, 14-NS und 14-NT angelegt werden kann (vgl. Wellenform C in Fig. 7). Unter diesen Bedingungen besitzen die zwischen den Klemmen 16R und 14-NR, 16S und 14-NS sowie 16T und 14-NT erzeugten Spannungen den Mittelwert "Null".

Demzufolge werden drei Komponenten der Dreiphasen-Wechselspannung vom N-ten Dreiphasen-Wechselrichter 16-N über die Klemmen 16R und 18N, 16S und 18N bzw. 16T und 18N angelegt, während sie intakt bleiben (vgl„ Wellenform D in Fig. 7)« Der N-te Wechselrichter 16-N kann somit auf die durch die Wellenform E in Fig. 7 angegebene Weise entsprechende Ströme durch die Phasenwicklungen 18a - 18c des Synchronmotors 18 leiten.

Die Erfindung bietet verschiedene Vorteile. Beispielsweise können die Ausgangsspannungen einer Anzahl von Dreiphasen-Wechselrichtern bei einfachem Schaltungsaufbau im Multiplex-

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betrieb behandelt werden, wobei ein Synchronmotor mit einer beliebigen Frequenz, ausgehend von einem. Gleichstrom, angetrieben werden kann. Zudem läßt sich die erfindungsgemäße Wechselrichterschaltung kostengünstig herstellen, weil eine Anzahl von Dreiphasen-Wechselrichtern eine Dreiphasenspannung im Multiplexbetrieb über nur vier Stromspeise-Leitungen zum Synchronmotor liefern. Aufgrund der verringerten Teilezahl kann darüber hinaus die Zuverlässigkeit der Schaltung verbessert werden.

Obgleich vorstehend nur eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben ist, ist die Erfindung innerhalb des erweiteren Schutzumfangs zahlreichen Abwandlungen und Änderungen zugänglich. Beispielsweise ist die Erfindung gleichermaßen auf Lxnearsynchronmotore oder Linearmotore anwendbar und ggf. auch für den Antrieb von Induktionsmotoren verwendbar.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Wechselrichterschaltung für den Antrieb eines Synchronmotors , dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Synchronmotor mit in Sternschaltung angeordneten Phasenwicklungen sowie einem Satz von Dreiphasen-Wechselspannungseingangsklemmen und einer Neutralklemme, eine Gleichspannungsquelle mit einer positiven oder Plusklemme, einer negativen bzw-, Minusklemme und einer Zwischenklemme zur Abnahme einer mittleren oder Zwischenspannung zwischen den Spannungen an Plus- und Minusklemme, wobei die Zwischenklemme mit der Neutralklemme des Synchronmotors verbunden ist, eine Anzahl von N (N = eine ganze Zahl größer als 1) Drei» Phasen-Wechselrichtern? die in Parallelschaltungsanordnung über Plus- und Minusklemme der Gleichspannungsquelle geschaltet sind und die jeweils einen Satz von Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemmen aufweisen und einen Gleichstrom von der Gleichspannungsquelle in einen Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln, und (N-1 ) elektrisch isolierte Dreiphasen-Transformatoren aufweist, die jeweils mit dem (N-i)ten Wechselrichter so verbunden sind, daß die Primärwicklungen

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der einzelnen Dreiphasen-Transformatoren in Sternschaltung mit dem Satz der Breiphasen-Wechselspannungsklemmen des angeschlossenen Dreiphasen-Wechselrichters verbunden sind und ihre Sekundärwicklungen in Reihenschaltung mit denen der anderen Dreiphasen-Transformatoren verbunden sind und jeweils eine Reihenkombination für jede Phase der Schaltung bilden, daß die in Sternschaltung angeordneten Primärwicklungen jedes Dreiphasen-Transformators einen an die Zwischenklemme der Gleichspannungsquelle angeschlossenen Neutralpunkt aufweisen und daß die Reihenkombinationen an der einen Seite mit dem Satz der Dreiphasen-Wechselspannungseingangsklemmen des Synchronmotors und an den anderen Seiten mit dem Satz des Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemmen der nicht mit dem Dreiphasen-Transformator verbundenen Dreiphasen-Wechselrichter verbunden sind.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß N = 3 gilt.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Dreiphasen-Wechselrichter drei Halbleiter-Wechselrichter mit jeweils vier in einer Brückenschaltung angeordneten Thyristoren sowie eine Reihenkombination aus einem Kommutierungs- bzw. Sperrkondensator und einer Kommutierungsdrossel aufweist ₉ welche über zwei diametral gegenüberliegende Verzweigungen der Brückenschaltung geschaltet ist, deren eine Verzweigung mit einer zugeordneten Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemme des Dreiphasen-Wechselrichters verbunden ist.

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