DE3035305C2 - Wechselrichterschaltung für einen Dreiphasen-Synchronmotor - Google Patents

Description

45

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung für einen Dreiphasen-Synchronmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

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 sollten die an solche Motoren angelegten Spannungs- und Strom -vellenformen 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 Mulliplexanordnung geschalteten Wechselrichter müs· sen 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 Grunde wurden Multiplex-Wechselriehtersysteme der bisherigen Konstruktion nicht für den Betrieb von Synchronmotoren eingesetzt

Zur Vermeidung der genannten Schwierigkeit sind Multiplex-Wechselrichtersysteme bekannt (vgl. T.Saljo et als «Multiple PWM Inverter System for Driving LSM«, National Meeting 1979, by the Institute of Electrical Fngineering of Japan, Seiten 915 und 916), die eine Gleichspannungsqufille, einen ersten Satz ε-is drei in Parallelanordnung über die Gleichspannungsquelle geschalteten Umsetzern, von denen je einer für jede Phase des Systems vorgesehen ist, einer, 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 Konstruktionen 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 zugeordnet?¹} 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 Wechselspanrii/ngsseite 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 Transformatoren Spannungen mit Rechteckwellenform zu induzieren. Infolgedessen werden die Ausgangsspannungen der Wechselrichter des ersten Satzes zu denen der zugeoraneten zweiten Wechselrichter addiert und dann an die betreffenden Phasenwicklungen des Synchronmotors angelegt. Die Wechselrichter beider Sätze werden damit fur den Betrieb als Multiplex-Wechselrichtersyste.Ti in Betrieb gesetzt.

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

Bei diesen bisherigen Multiplex-Wechselrichtersysttmen muß jedoch der Synchronmotor über sechs Siromspeiseleitungen. 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 Ein/elphasen-Wechselrichter aus zwei Halbleiter-Wechselrichtern mit jeweils vier Thyristoren geformt wird, die in Brückenschaltungskonfiguration geschaltet und in an sieh bekannter Weise an die Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, muß für jede Phase des Systems jeweils ein einziger dieser Einzelphasen*Wechselrichter vorgesehen sein. Die bisherigen Multiplex-Wechselrichlersysteme oder -schaltungen der vorste* hend beschriebenen Art sind daher insofern nachteilig, als die durch sie gebildeten Systeme große Abmessungen besitzen und zudem kostenaufwendig sind.

Jn der »Siemens Zeitschrift«, 1963, Suiien 660 bis 667, ist eine Wechselrichterschaltung der eingangs genannten Art für einen Dreiphasen-Induktionsmotor, insbesondere für einen Asynchronmotor, beschrieben, wobei zur Verminderung des Oberschwingungsgehaltes der Spannung zwei Dreiphasen-Wechselrichter verwendet werden, der;n Ausgangsspannungen über jeweils nachgeschaltete Dreiphasen-Transformatoren addiert werden. Allerdings besteht auch bei dieser bekannten Schaltung das bereits oben erwähnte Problem, daß die Transformatoren beim Anfahren des Motors in Sättigung gehen. Für eine Lösung dieses Problems wird keine Anregung gegeben.

Weiterhin ist aus der DE-AS 12 49 987 ein Stromrichtermotor bekannt, bei dem die Motorwicklungsstränge im Stern geschaltet sind, wobei der Motor über einen Dreiphasen-Wechselrichter von einer Gleichspannungsquelle mit Mittelanzapfung gespeist wird und der Sternpunkt mit der Mittelanzapfung verbunden ist. Diese Schaltung hat den genannten Nachteil eines hohen Oberwellengehaltes. Da keine Transformatoren verwendet werden, ist auch nicht das Problem der Sättigung beim Anfahren angesprochen.

Ausgehend von einer Schaltung nach der »Siemens Zeitschrift« liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wechselrichterschaltung für einen Dreiphasen-Synchronmotor zu schaffen, bei der bei den verwendeten Transformatoren eine Sättigung auch beim Anfahren des Motors ausgeschaltet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Wechselrichterschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Erfindung ist also einer der Dreiphasen-Wechselrichter ohne nachgeschalteten Transformator mit seinen drei Ausgängen jeweils mit den Sekundärwicklungen der Transformatoren phasenweise in Serie verbunden und so an die Sternschaltung des Moto^rs angeschaltet. Die Primärwicklungen der Transformatoren sind entsprechend ebenfalls im Stern geschaltet und -to mit ihrem Ster punkt sowohl an den Motor als auch an die Mittelanzapfung der Gleichspannungsquelle geschaltet. Durch diese Anordnung ergibt sich die Möglichkeit, daß beim Anfahren des Motors die über die Transformatoren addierten Spannungsanteile der Dreiphasen-Wechselrichter zusammen jeweils die Summe Null ergeben, so daß in diesem Zeitpunkt nur der nicht an einen Transformator (Primärwicklung) angeschaltete Wechselrichter die Speisesoannung des Motors erbringt.

Die Anzahl der Dreipha. .'n-Wechselrichter ist dabei von geringerer Bedeutung. Wesentlich ist vielmehr, daß einer der We.hselrichter ohn^ nachfolgenden Transformator direkt mit der Last-Motorschaltung verbunden ist. Allerdings ist es besonders vorteilhaft, wenn entsprechend der Lehre des Patentanspruches 2 eine geradzahlige Anzahl von Wechselrichtern mit nachfolgendem Transformator verwendet wird, da in diesem Fall die Summe der Ausgangsspannungen exakt zu Null gemacht werden kann. Möglich ist aber auch eine ungeradzahlige Anzahl solcher Wechselrichter. In diesem Fall kann die Sättigung der Ausgangstransfor* maloren dadurch Verhindert werden, daß die Wellenform der Ausgangsspannungen so gesteuert wird, daß keine niederfrequenten Anteile entstehen.

jeder Dreiphasen-Wechselrichler kann drei Halbleiter-Wechselrichter mit jeweils vier in einer Brückenschaltung angeordneten Thyristoren sowie eine Reihenkombination aus einem Kommutierungs- bzw. Sperrkondensator und einer Kommutierungsdrossel aufweisen, 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 Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fi g. 1 ein Blockschaltbild eines bisherigen Multiplex-Wechselrichtersystems für den Antrieb eines Synchronmotors,

Fig.2 ein Schaltbild eines Einzelphasen-Wechselrichters gemäß F i g. 1,

F i g. 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 F i g. 3,

F i g. 5 eine graphische Darstellung df· an verschiedenen Stellen der Anordnung nach Fit 4 auftretenden Wellenformen und

Fig.6 und 7 graphische Darstellungen der an verschiedenen Stellen der Anordnung nach F; g. 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 Gleichstromquelle 10 mit einer Plus- und einer Minusklemme P bzw. N, eine Dreiergruppe aus ersten Wechselrichtern 12a, 12b und 12c, die in Parallelschaltungsanordnung über die Plus- und Minusklemme P bzw. N geschaltet sind, eine weitere Dreiergruppe aus zweiten Wechselrichtern 14a, 146 und 14c, die auf ähnliche Weise in Parallelschaltung über die beiden Klemmen fund N geschaltet sind, sowie drei elektrisch isolierte Transformatoren 16a. 166 und 16c. die über die Wechselstromausgänge der zweiten Wechselrichter 14a. 1*6 bzw. 14cgeschaltet sind. Ein Synchronmotor 18 wird durch alle diese Wechselrichter gespeist. Insbesondere weist jeder der ersten Wechselrichter 12a—12c zwei Wechselstrom- oder -spannungsausgänge auf. von denen der eine über eine zugeordnete Strcmspeise·Leitung 20a, 206 oder 20c mit je einer von drei Phasenwicklungen 18a. 186 bzw. 18c des Synchronmotors 18 verbunden und der andere an eine Sekundärwicklung des zugeordneten Transformators 16a. 166 bzw. 16c angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung jedes Transformators 16a—16c ist über eine weitere Stromspeise-Leitung 22a. 226 bzw. 22c mit der betreffenden Phasenwicklung 18a. 186 bzw. 18c des Synchronmotors 18 iii Reihe geschaltet.

Jedes Paar der ersten und zweiten Wechselrichter 12a und 14a. 126 und 146 bzw. 12c und 14c besitzt die Schaltungsanordnung nach F i g. 2. Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei Haupt-Thyristoren /1-30 und / 1-32 in Reihe r"it gleicher Polarität angeschlossen, und sie bilden mit zwei ähnlich geschalteten Hilfs-Thyristoren /1-34 Und Π-36 eine Brückenschaltung. Eine Halbleiter-Rückkopplungsdiode /1-38 oder /1-40 ist mit entgegengesetzter Polarität über den Haupt-Thyristor /1-30 bzw. /1*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 Wech-

■ι

selspannungsausgänge, über die eine Kommutierungsclrossel / 1-42 und ein Kommutierurigs- bzw. Sperrkondensator /1-44 in Reihe geschallet sind. Die beschriebe' nen Bauteile bilden einen an sich bekannten Halbleiter-Wechselrichter, ί

Die Anordnung nach Fig.2 enthält weiterhin eine Nachbildung des vorstehend beschriebenen Halbleiter-Wechselrichters, der über Plus- und Minusklemme P bzw. Abgeschaltet ist und den vorstehend beschriebenen Bauteilen identische, mit denselben Bezugsziffern mit in vorgestelltem Symbol /2 bezeichnete Bauteile aufweist. Beispielsweise ist mit /2-10 ein dem Bauteil /1-10 identischer Haupt-Thyristor bezeichnet.

Die Anordnung nach Fi g. 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 2" einer Reihe von Rechteckwellen umgewandelt wird, die ihrerseits an Wechselspannung-Ausgangsklemmen A₁ und Ai auftritt, welche an die Verzweigungen zwischen den Haupt-Thyristoren /1-30 und /1-32 bzw. /2-30 und / 2-32 angeschlossen sind.

Beim Anfahren des Synchronmotors 18 werden die an die isolierten Transformatoren 16a—16c angeschlossenen Wechselrichter 14a—14c nicht als Wechselrichter, sondern nur zum Kurzschließen der betreffenden Transformatoren betrieben. Insbesondere wird bei jo gleichzeitiger Anlegung eines Leitungssignals an die Haupt-Thyristoren /1-30 und /2-30 oder /1-32 und /2-32 keine Spannung an den Wechselspannung-Ausgangsklemmen Ai und Ai 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, 18Zj bzw. 18c des Synchronmotors 18 angelegt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Betrieb der Anordnung nach F ί g. 1 als Multiplex-Wechselrichtersystem eingeleitet.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß mit der Anordnung nach Fi g. 1 der Synchronmotor in an sich bekannter Weise in einem Bereich von Gleichspannung- bis Wechselspannung-Betriebsart mit jeder beliebigen Frequenz betrieben werden kann.

Die bisherigen Wechselrichtersysteme der vorstehend beschriebenen Art sind deshalb nachteilig, weil to 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 t" vorgesehen sein muß, so daß die Schaltung groß und kostenaufwendig wird.

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

Fig.3 veranschaulicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung für den Antrieb eines Synchronmotors. Dabei ist eine Gleichstromquelle 10 mit zwei in Reihe geschalteten Gleichrichterkreisen 10,-iund 106, die den positiven bzw. den negativen Teil der Schaltung bilden, zwei Drosseln bzw. Spulen 50a und 50b. welche die zugeordneten Gleichrichterkreise 10a bzw. 106 mit Plus- bzw. Minusklemme Pbzw. N verbinden, und zwei Kondensatoren 52a und 526 vorgesehen, die über Plus- und

geschaltet sind. Letztere ist an die Verzweigung bzw. Verbindung zwischen den Gleichrichterkreisen 10a und 106 angeschlossen.

Eine Anzahl von N Dreiphasen-Wechselrichtern 14-1,

14-2 14-Λ/ ist in Parallelschaltung über Plus- und

Minusklemme Pbzw. /Vgeschaltet. indem ihre positiven bzw. Pluseingänge P,„ gemeinsam an die Plusklemme P und ihre negativen bzw. Minuseingänge N,„ gemeinsam an die (■«,•musklemme N der Stromquelle 10 angeschlossen sind. Jeder dieser Dreiphasen-Wechselrichter 14-1 bis 14-/V enthält drei Wechselspannungs-Ausgangsklemmen R, S und T, die einen Satz von Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemnien bilden.

Die Dreiphasen-Wechselrichter 14-1 bis H-N besitzen jeweils vorzugsweise die Schaltungskonfiguration nach F i g. 4, die sich von derjenigen gemäß F i g. 2 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 Pm bzw. N_m geschaltet sind und Wechselspannung-Ausgangsklemmen R, Sund Taufweisen.

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 /3 bezeichnet. Beispielsweise ist mit /3-32 der Haupt-Thyristor bezeichnet, welcher dem betreffenden Bauteil /1-32 oder /2-32 entspricht.

Gemäß Fig.3 sind erster, zweiter, .... (N l)ter Dreiphasen-Wechselrichter 14-1, 14-2,.., 14-(W-I) mit einem ersten, einem zweiten, ..., einem (7V-i)ten elektrisch isolierten Dreiphasen-Transformator 16-1, 16-2, .., 16-(7V-I) 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 Dreiphasentransformator 16-1 weist drei Primärwicklungen 16-la—16-lcauf, die an der einen Seite mit den Wechselspannung-Ausgangsklemmen R, 5 und 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-la—16-1 c sind somit in Sternschaltung angeordnet Der Transformator 16-1 weist zudem drei Sekundärwicklungen 16-lc/— 16-1/für

jeweils eine Phase der Schaltung auf.

Die Wicklungen der restlichen Transformatoren sind mit den jeweiligen Bezugsziffern für den betreffenden Transformator, zuzüglich eines angehängten Buchstabens a, b, c, d, e bzw. /'bezeichnet. Beispielsweise ist mit i64d die Sekundärwicklung des zweiten Transformators 16-2 bezeichne!, welche bezüglich der Phase der Schaltung der Sekundärwicklung 16-lc/ des ersten Transfßfinators entspricht.

Für jede Phase der Schaltung sind die Sekundärwicklungen aller Dfeiphäsen-Transformatoren in Reihe zusammengeschaltet, so daß eine Reihensclraltung aus den Sekundärwicklungen gebildet wird. Beispielsweise bilden die phasengleichen Sekundärwicklungen 16-la bis 16-A/a eine Reihenschaltung. Drei so gebildete Reihenschaltungen aus den Sekundärwicklungen sind am einen Ende mit den Wechselspannung-Ausgangsklemmen 16-/?, 16-5 und 16-71 die einen Satz von 'Dreiphasen-Wechselspannungsausgangsklemmen für die Dreipnasen-Transfoniiaioreii ίό-l bis 16-/V blrdcfi, und am anderen Ende mit Wechselspannung-Ausgangsklemmen 14-Λ//?, 14-/VSund 14-NT verbunden, welche den anderen Satz entsprechender Ausgangsklemmen bilden und an die Wechselspannungsausgänge R, S und T des A/-ien Dreiphasen-Wechselrichters 14-Λ/ angeschlossen sind.

Die Wechselspannung-Ausgangsklemmen 16Λ, 16S und löTsind über drei Stromspeise-Leitungen 20a, 206 bzw. 20c mit drei in Sternschaltung angeordneten Phasenwicklungen 18a, ISb bzw. 18c des Synchronmotors 18 verbunden. Die Klemmen 16/?, 165" und 167" 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 18/Vdes Synchronmotors 18 verbunden, der seinerseits an die Zwischenklemme Cder 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 F i g. 4 bezüglich der Art und Weise beschrieben, auf welche eine Wechselspannung in Form einer Rechteckwellenreihe an den einzelnen Wechselspannung-Ausgangsklemmen R. 5 und Γ sowie an der Zwischenklemme C der Gleichstromquelle 10 erzeugt wird; die Besehreibung 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 F i g. 4 sind alle Haupt-Thyristoren in eine positive Gruppe mit den Haupt-Thyristoren /1-30 bis /3-30 und in eine negative Gruppe mit den Thyristoren /1-32 bis /3-32 unterteilt. Die positive Gruppe ist der negativen Gruppe wirkungsmäßig zugeordnet, so daß drei Paare von Haupt-Thyristoren, nämlich je ein Paar für jede Phase des Systems, gebildet werden. Die Haupt-Thyristoren jedes Paars, z. B. die Thyristoren /1-30 und /1-32, werden abwechselnd durchgeschaltet. Wenn beispielsweise der Haupt-Thyristor /1-30 durchgeschaltet ist und der Thyristor /1-32 sperrt, entspricht das Potential an der Wechselspannung-Ausgangsklemme R dem Potential an der Gleichspannung-Eingajigsklemme P_1n. Im umgekehrten Schaltzustand ist dagegen das Potential an der Ausgangsklemme R dem Potential an der Gleichspannung-Eingangsklemme Ni_n gleich. Infolgedessen wird eine am Kondensator 52a anliegende Gleichspannung

von der Gleichstromquelle 10 im Leitzustand des Haupt-Thyristors /1-30 an die Wechselspannung-Ausgangsklemme R und die Zwischenklemme C angelegt (vgl. die oberste Wellenform »Durchschaltsignal für /1-30« in F i g. 5). Dagegen wird die am Kondensator 52b anliegende Spannung von der Stromquelle 10 im Leitzustand des Thyristors /1-32 mit umgekehrter Polarität an die Wechselspannung-Ausgangsklemme R und die Zwischenklemrne C angelegt (vgl. die mittlere Wellenform in Fig.5). Im letzteren Fall besitzt die Spannung am Kondensator 52a dieselbe Größe wie die Spannung aiii Kondensator 52b. Demzufolge entsteht eine Spannung in Form einer Rechteckwellenreihe an Ausgangsklemme R und Zwischenklemme C der Stromquelle 10, wie dies in F i g. 5 bei »/?-C-Sp. .inung« dargestellt ist.

Indem auf ähnliche Weise das Durchschalten der Haupt-Thyristoren /2-30 und /2-32 gesteuert wird, wird eine ähnliche Wechselspannung in Form einer Recht-Eckweücnrcihc sn der V/echselspanp.up.g-AüsgangE-klemme 5und an der Zwischenklemme Cerzeugt.

Eine ähnliche Wechselspannung in Form einer Rechteckwellenreihe entsteht an der Wechselspannung-Ausgangsklemme 7und an der Zwischenkiemme C durch entsprechende Steuerung des Durchschaltens der Haupt-Thyristoren /3-30 und /3-32.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig.3 ist im folgenden unter der Voraussetzung, daß N = 3 gilt, 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 F i g. 3 so modifiziert, daß erster und zweiter Dreiphasen-Wechselrichter 14-1 bzw. 14-2 mit erstem bzw. zweitem Dreiphasentransformator 16-1 bzw. 16-2 verbunden sind und der /V-te, d. h. in diesem Fall dritte Wechselrichter 14-Λ/, unmittelbar mit den drei Klemmen U-NR, 14-WS und 14-/V7"der drei Sekundärwicklungen 16-2t/—16-2ZdCS 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 Tsowie an der Zwischenklemme Cder Stromquelle 10 ergeben, wie dies aus der Beschreibung in Verbindung mit F i g. 4 hervorgeht. Die durch den ersten Wechselrichter 16-1 erzeugte Dreiphasen-Wechselspannung wird an die drei Primärwicklungen 16-la bis 16-lc des ersten Dreiphasen-Transformators angelegt (vgi. oberen Teil der Wellenform A in F i g. 6), so daß an den drei Sekundärwicklungen 16-lc/bis 16-1/WechseI-spannungen mit zueinander gleicher Wellenform induziert werden (vgl. unteren Teil der Wellenform gemäß F i g. 6).

Auf ähnliche Weise wird die vom zweiten Dreiphasen-Wechselrichter 14-2 erzeugte Dreiphasen-Wechselspannung an die drei Primärwicklungen 16-2a bis 16-2c des zweiten Transformators 16-2 angelegt (vgl. den oberen Teil der Wellenform B gemäß Fig. 6), um in den drei Sekundärwicklungen 16-2<f bis 16-2/" zueinander gleiche Wechselspannungen zu induzieren (vgl. unteren Teil der Wellenform B in F i g. 6).

Schließlich wird die durch den dritten Wechselrichter 16-N erzeugte Dreiphasen-Spannung an die Neutralklemme MN des Synchronmotors 18 sowie an die

Wechselspannung-Ausgangsklemmen iA'NR, \4-NS und 14-/VTangelegt. die mit den drei Sekundärwicklungen X6-2d bis 16-2/" 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 Klemme der Wechselspannung-Ausgangsklemmen XA-NR. XA-NS und 14-/VT sowie an der damit verbundenen Wechselspannung-Ausgangsklemme 16/7. I65bzw. 16T. Beispielsweise erscheint an den Klemmen X4-NR und 16/? die Summe aus der an der Sekundärwicklung 16-lc/des ersten Dreiphasen-Transformators 16-1 induzierten Spannung und der an der Sekundärwicklung X6-2d des zweiten Dreiphasen-Transformaturs 16-2 iriduiicf ten Spannung.

Das gleiche gilt auch für die restlichen Phasen des Systems.

Infolgedessen erscheinen am Neutralpunkt 18/V und an den Klemmen 16/?, 165 und 16Γ Spannungen, die jeweils dadurch entstehen, daß die Wechselspannungen der Dreiphasen-Wechselrichter 16-! bis 16-Λ/ für jede Phase der Schaltung miteinander addiert werden. Die Wellenform C gemäß Fig.6 entspricht einer an der Klemme 16-Λ//? und an der Neutralklemme 18JV 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 Ausgangsspannungen von den Dreiphasen-Wechselrichtern im Multiplexbetrieb auf drei Stufen aufzuteilen und die betreffenden Ausgangsspannungen an die drei Phasenwicklungen 18a— 18cdes Synchronmotors 18 anzulegen vermag. Der resultierende Strom fließt somit durch die einzelnen Phasenwicklungen 18a—18c des Synchronmotors 18, wobei die Welligkeit des Stroms gering gehalten wird (vgl. Wellenform fin F i g. 6).

Es ist somit ersichtlich, daß die Anordnung nach F i g. 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—I8cdes Synchronmotors 18 mit einem Strom geringer Welligkeit fließen.

Nachstehend ist die Anordnung gemäß Fig.3 in Verbindung mit der Anlaß- oder Anfahrbetriebsart anhand von F i g. 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-Wechbelrichter, mit Ausnahme des N-ten Wechselrichters 16-JV, 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 Wechselrichteroperation durchzuführen. Dabei besitzt der Haupt-Thyristor der positiven Gruppe,

ίο z. B. der Thyristor /1-30 (F i g. 4), dieselbe Durchschaltzeitspanne wie derjenige der negativen Gruppe, z. B. der Thyristor /1-32. für jede Phase des Systems. Dies bedeutet, daß die Primärwicklungen der einzelnen, an die Dreiphasen-Wechselrichter angeschlossenen Drei-

i■' phasen-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. die Wellenformen A und B in Fig. 7). Hierdurch wird eine

Gleichzeitig wird der /V-te Dreiphasen-Wechselrichter 16-/V in der normalen Wechselrichterbetriebsart gehalten, so daß die Dreiphasen-Wechselspannung vom Wechselrichter 16-JV über die Neutralklemme 18JVund die Klemmen XA-NR. 14-JV5und 14-A/7angelegt werden kann (vgl. die Wellenform C in Fig.7). Unter diesen Bedingungen besitzen die zwischen den Klemmen 16/? und XA-NR, 165 und XA-NS sowie 16Γ und XA-NT erzeugten Spannungen den Mittelwert »Null«.

ίο Demzufolge werden drei Komponenten der Dreiphasen-Wechselspannung vom /V-ten Dreiphasen-Wechselrichter 16-/Vüber die Klemmen 16/? und 18/V, 165 und 18/V bzw. I67"und 18JV angelegt, während sie intakt bleiben (vgl. die Wellenform D in Fig.7). Der /V-te

J5 Wechselrichter 16-JV kann somit auf die durch die Wellenform E in F i g. 7 angegebene Weise entsprechende Ströme durch die Phasenwioklungen 18a— 18c des Synchronmotors 18 leiten.

Die Erfindung bietet verschiedene Vorteile. Beispiels-

•10 weise können die Ausgangsspannungen einer Anzahl von Dreiphasen-Wechselrichtern bei einfachem Schaltungsaufbau im Multiplexbetrieb 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.

so Aufgrund der verringerten Teilezahl kann darüber hinaus die Zuverlässigkeit der Schaltung verbessert werden.

Die Erfindung ist beispielsweise auch bei Linearsynchronmotoren oder Linearmotoren anwendbar und

für den Antrieb von Induktionsmotoren verwendbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Wechselrichterschaltung für einen Dreiphasen-Synchronmotor, mit mehreren an die Plus- und Minusklemmen einer Gleichsoannungsquelle mit Mittelanzapfung angeschlossenen Dreiphasen-Wechselrichtern, deren Ausgangsspannungen addiert dem Motor zugeführt werden, wobei an jedem Ausgang dieser Dreiphasen-Wechselrichter jeweils eine Primärwicklung eines Dreiphasen-Transformators angeschlossen ist, und wobei die Sekundärwicklungen der Dreiphasen-Transformatoren jeweils phasenweise in Reihe geschaltet und den Eingangsklemmen des Motors zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreiphasen-Synchronmotor (18) im Stern geschaltet und der Sternpunkt mit der Mittelanzapfung der Gleichstromquelle (10) verbunden ist, daß ein weiterer Dreiphasen-Wechselrichter (H-N) ohne nachgeschalteten nreiphasen-Transformator vorgesehen ist. von desä-jn Ausgängen jeweils einer mit einer entsprechenden Reihenschaltung von Sekundärwicklungen der Transformatoren in Reihe geschaltet ist, und daß die Primärwicklungen (16-la, 16-2a^der Dreiphasen-Transformatoren (16-1, 16-2) im Stern geschaltet und über ihren Sternpunkt ebenfalls mit der Mittelanzapfung (C) der Gioichspannungsquelle (10) verbunden sind, wobei die Dreiphasen-Wechselrichter (14-1, 14-2) mit nachgeschalteten Transformator-Primärwicklungen (16-la, 16-2aJ derart steuerbar sind, daß die Addition ihrer jeweiligen Spannungen in jedem Augenblick zu Null oder zumindest annähernd zi Null w\d.

2. Wechselrichterschz'tung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ine geradzahlige >s Anzahl von Dreiphasen-Wechselrichtern (14-1,14-2) mit nachgeschalteten Transformator-Primärwicklungen (16-1./. 16-2a^ vorgesehen ist. welche derart steuerbar sind, daß die Artition ihrer jeweiligen Spannungen in jedem Augenblick exakt zu Null wird.