DE3142185C2 - Schaltungsanordnung zum Betrieb von Drehstrommaschinen höherer Spannung mit variabler Drehzahl mittels eines über Transformatoren angepaßten Zwischenkreisumrichters - Google Patents

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung zum Betrieb von Drehstrommaschinen (6) höherer Spannung mit variabler Drehzahl über einen mit seiner Typenspannung im Niederspannungsbereich liegenden stromeinprägenden Zwischenkreisumrichter, dessen Netzstromrichter (2) an einem Netztransformator (1) liegt und dessen Maschinenstromrichter (4) an einen Maschinentransformator (5) angeschlossen ist, wird während des Anlaufs der Drehstrommaschinen (6) der Maschinen trans formator (5) überbrückt und außerdem in den Gleichstromzwischenkreis eine Zusatzdrossel (7) eingeschaltet.

Description

— einem Netzstromrichter, der über einen Netztransformator an einem Netz höherer Spannung liegt,

— einem Maschineastromrichter, der über einen Maschinentransformator an eine oder mehrere mit höherer Spannung betriebene Drehstrommaschinen synchroner oder asynchroner Bauart angeschlossen ist, sowie

— einem Gleichstromzwischenkreis, in dem ein durch eine Hauptdrossel eingeprägter Strom fließt, zwiojhen dem Netzstromrichter und dem Maschinenstromrichter.

dadurch gekennzeichnet, daß während des Anlaufs der Drehstrommaschinen (6) der Maschinentransformator (5) überbrückt ist und außerdem in den Gleichstromzwischenkreis fine Zusatzdrossel (7) eingeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückung des Maschinentransformators (S) und die Einschaltung der Zusatzdrossei (7) von der Frequenz 0 bis zu einer Frequenz vorgesehen ist, die dm- h die Division der Nennfrequenz (λ/ν) der Drehstrommaschinen (6) durch das Übersetzungsverhältnis (ü) des Maschinentransformators (5) bestimmt ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Zusatzdrossel (7) eine Induktivität aufweist, die den mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses (ü)dzs Maschinentransformators (5) multiplizierten Wert der Hauptdrossel (3) beträgt und
daß der Sättigungsstrom der Zusatzdrossel (7) dem Sättigungsstrom der Hauptdrossel (3) dividiert durch das Übersetzungsverhältnis (ü) des Maschinentransformators (5) entspricht.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgtem Anlauf die Einschaltung des Maschinentransformators (5) und die Abschaltung der Zusatzdrossel (7) bei stromlosem Zustand vorgesehen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stromlose Zustand durch herabsteuern des Netzstromrichters (2) hergestellt ist.

6 Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für eine als Asynchronmotor betriebene Drehstrommaschine, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgtem Anlauf und Einschaltung des Maschinentransformators (5) sowie Abschaltung der Zusatzdrossel (7) zunächst die Taktfrequenz des Ma· scliinenstromrichters (4) herabgesetzt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS

30 06 034 bekannt

Häufig stellt sich die Aufgabe, vorhandene Drehstrommaschinen höherer Spannung, z. B. Mittelspannungsmotoren (für Spannungen meist zwischen 2 und 10 kV) in ihrer Drehzahl über Umrichter zu steuern und zu regeln. Die Leistungen liegen dabei zwischen 200 und 4000 kW, also in einem Bereich, der durch Umrichter im Niederspannungsbereich (für Nennspanngen zwischen 380 und 660 V) abgedeckt wird. Diese Umrichter sind

ίο kostengünstiger als Hochspannungsumrichter gleicher Typenleistung, da sich die Kosten für letztere weniger von der Halbleitertypenleistung als von der Spannung und damit der Anzahl der notwendigerweise in Reihe zu scnaltenden Halbleiterelemente ableiten. Vielfach ergeben sich also kostengünstigere Antriebslösungen, wenn man Niederspannungsumrichter an das Netz an die Maschine über Transformatoren anpaßt Die Anpassung erfolgt über den Netz- und den Maschinentransformator, die als Spartransformatoren oder auch ab Isoliertransformatoren eingesetzt werden.

Zum Anfahren einer Drehstrommaschine ist bei der eingangs genannten aus der DE-OS 30 06 034 bekannten Schaltungsanordnung ein zweiter, phasenversetzt betriebener Zwischenkreisumrichter vorgesehen, der eine Zwölfphasen-Kommutierung bei der Maschineneinspeisung erlaubt

Ausgehend von der wirtschaftlichen Schaltungsanordnung mit nur einem Zwischenkreisumrichter ergibt sich für den Betrieb der Drehstrommaschinen im unteren Frequenzbereich, insbesondere beim Schweranlauf, die Notwendigkeit, den Maschinen einen ausreichend großen ohmschen Spannungsanteil einzuprägen. Das bedeutet, daß der Maschinentransformator allein aus diesem Grunde unnötig groß dimensioniert werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art die Dimensionierung des Maschineritransformators von den Anlaufbedingungen unabhängig zu machen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafterweise wird durch die Überbrückung des Maschinentransformators während des Betriebes der Drehstrommaschinen mit kleinen Frequenzen, also im Anlaufbereich, die kostenspielige sonst notwendige Anpassung des Transformators an den großen, den Drehstrommaschinen einzuprägenden IxR Anteil an Spannung vermieden, während die hinzugefügte Zusatzdros-SiI lediglich — wie weiter unten noch erläutert wird —

so die Baugröße der Hauptdrossel aufweisen muß.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläulert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit einer vom Zwischenkreisumrichter gespeisten Drehstrommaschine asynchroner Bauart,
Fig. 2 einen Vergleich der Kommutierungsverläufe beim Betrieb mit und ohne überbrücktem Transformator und

Fig. 3 die zeitlichen Verläufe von Zwischenkreis-Gleichstrom, Maschinendrehzahl und Maschinen-Ständerfrequenz beim Zuschalten des vorher überbrückten Maschinentransformators bei einem Asynchronmaschinenantrieb.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Prinzipschaltbild wird die Spannung (z.B. 3x6 kV) eines Mittelspan-

nungsnetzes RST an einen als Spartransformator geschalteten Netztransformator 1 gelegt Dieser Netztransformator paßt entsprechend seinem Obersetzungsverhältnis die angelegte Mittelspannung an die im Niederspannungsbereich liegende Spannung (z. B. 500 V) eines Zwischenkreisumrichters an. Der Zwischenkreisumrichter besteht aus einem am Ausgang des Netztransformators 1 liegenden, aus ansteuerbaren Thyristorventilcii in dreiphasiger Brückenschaltung gebildeten Netzstromrichter 2, einem Gleichstromzwischenkreis mit einer einen Gleichstrom Id einprägenden Hauptdrossei 3 und einem Maschinenstromrichter 4. Der Maschinenstromrichter 4 ist ebenfalls aus steuerbaren Thyristorventilen in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Dem Maschinenstromrichter 4 ist eine bekanntermaßen aus Kondensatoren (mit der Kommutierungskapazität C) und Dioden bestehende Zwischen-Phasen-Kotnmutierungseinrichtung zugeordnet, durch weiche der als Wechselrichter arbeitende Maschinenstromrichter 120 Grad lange, dreiphasig verschobene Strombiöcke vom Gleichstrom /^ an seinem Ausgang zur Speisung einer Drehstrommaschine 6 asynchroner Bauart bereitstellt Die Drehstrommaschine 6 wsist eine höhere Nennspannung Um₀₁ (z. B. 2 kV) auf. Sie hat drei als Induktivitäten 10 dargestellte Streuinduktivitäten der L,, pro Phase. Zur Anpassung der Maschinenspannung an die Spannung des Zwischenkreisumrichters ist ein als Spartransformator geschalteter Maschinentransformator 5 vorgesehen. Dieser hat ein Übersetzungsverhältnis 0.

Da während des Anlaufs der Drehstrommaschine 6 — insbesondere bei Schweranlauf — ein ausreichend großer ohmscher Spannungsanteil der Maschine eingeprägt werden muß, der Maschinentransformator 5 aber deswegen nicht überdimensioniert werden soll, wird er irn unteren Frequenzbereich durch einen Schaher 9 überbrückt.

Ebenso ist es notwendig, bei kleinen Frequenzen den Zwischenkreisstrom mit einer höheren Induktivität zu glätten als bei Betrieb über den Maschinentransformator, um tin Lücken des um das Übersetzungsverhältnis ü reduzierten Gleichstromes zu vermeiden. Aus diesem Grunde ist im Zwischenkreis beim Anlauf eine Zusatzdrossel 7 eingeschaltet.

Nach Durchfahren des unteren Frequenzbereiches wird bei einer Frequenz Λ, die durch die Nennfrequenz f/v der Drehstrommaschine 6 dividiert durch das Übersetzungsverhältnis ödes Maschinentransformatoro 5 errechnet wird, die Zusatzdrossel 7 durch Schließen eines Überbrückungsschalter 8 aus dem Gleichstromzwischenkreis ausgeschaltet. Gleichzeitig wird durch Öffner, des Scnalters 9 der Maschinentransformator 5 eingeschaltet.

Die A^rt der Kommutierungseinrichtung im Maschinenstromrichter 4 nach F i g. 1 bringt es nun mit sich, daß die Kommutierungskondensatoren sich bis zum Schnittpunkt mit der verketteten Maschinenspannung Um,,, linear umladen und dann sinusförmig um einen Betrag

AU₁

3 C

überladen. Dieser Verlauf der Kondensatorspannung Uc ist über der Zeit .· im unteren Teil der F i g. 2 für den Anlaufbetrieb (also ohne eingeschalteten Maschinentransformator 5) und im oberen Teil der F i g. 2 für den Betrieb mit eingeschalteten Transformator oberhalb der Frequenz Λ dargestellt

Im Frequenzbereich mit überbrücktem Maschinentransformator 5 laden sich die Kondensatoren um einen höheren Betrag auf, als bei zwischengeschaltetem Transformator, da sich die Streuinduktivität L₀ pro Maschinenphase nicht um den Faktor (—J wie bei Betrieb mit Transformator, reduziert Da jedoch der Umrichterausgangsstrom ebenfalls um — reduziert wird, bleibt die Überladung JU_C erhalten. Die Zeit der sinusförmigen Aufladung fe_n erhöht sich um den Faktor 0, weil sie sich als Viertelperiode der Resonanzschwingung des aus 2L„

und -γ C'gebildeten Schwingkreises errechnet:

Ebenso erhöht sich die Zeit der line?'?n Umladung fii_n, da sie sich umgekehrt proportional zasa Zwischenkreässtrom Id verhält. Somit erhält man bei Betrieb ohne Transformator ein winkelgetreues Bild zu dem jenigen bei Betrieb mit Transformator, wobei die Amplituden bleiben, die Zeiten aber um den Faktor ü länger sind. Betreibt man also die Maschine bis zu einer Frequenz

Λ = — ohne Transformator, so wird der Umrichter

spannungsmäßig nicht überbeansprucht; da die Motorspannung auch nur auf -—■ steigt

f— = const.-Verhaltenj.

Beim Betrieb ohne Maschinentransformator 5 ist die vom Maschinenstromrichter 4 herrührende, auf den Zwischenkreis wirkende Spannungszeitfläche um den Faktor ü größer, da die Amplituden bleiben, jedoch die Zeiten um den Faktor ü verlängert werden. Da der Gle.chstrom /</ um den Faktor ü kleiner ist, muß bei Forderung gleicher prozentualer Welligkeit die Zusatzdrossel 7 eine tPfache Induktivität aufweisen. Weil die Typenleistung einer Drossel proportional dem Produkt aus der Induktivität L und dem Quadrat des Stromes / (Ρτγρ — LP) ist, wird jedoch die Bauleistung nur ebensogroß wie die der Hauptdrossel. Die Hauptdrossel weist eine Induktivität L beim Strom Id, die Zusatzdrossel eine Induktivität (O² - 1) L « U²L bei einem Strom

— auf. Bei Kurzreitbetrieb im unteren Frequenzbeü

reich kann der thermische Nennstrom der Zusatzdrossel 7 -och entsprechend der Einschaltdauer reduziert werden.

Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsbereichen erfolgt zweckmäßigerweise stromlos durch Herabsteuern des N»tzstromrichters 2. Damit werden die Schalter 8 und 9 geschont, und es wird der Umrichter nicht durch zusätzliche Schaltüberspannungen gefährdet. Da in dieser kurzen drehmomentenlosen Zeit die Drehzahl wieder absinkt, wird beim Anrieb von Drehstrommaschinen asynchroner Bauart die Taktfrequenz des Maschinenstromrichters 4 ebenfalls geringfügig reduziert, um nach dem Umschalten auf den gewünschten Wert gesteigert zu werden. Man verhindert somit einen möglichen Betrieb mit Schlupffrequenzen größer als die Kippschlupffrequenz der Maschine. In F i g. 3 ist für diese Verfahrensweise der Verlauf des Gleichstromes Id,

der Drehzahl η und der Ständerfrequenz f\ einer Drehstromasynchronmaschine über der Zeit t im Bereich des Umschaltzeitpunktes t_u gezeigt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Betr"eb von Drehstrommaschinen höherer Spannung mit variabler Drehzahl über einen mit seiner Typenspannung im Niederspannungsbereich liegenden Zwischenkreisumrichter bestehend aus