DE3627713A1

DE3627713A1 - Schaltungsanordnung eines einen synchronmotor bei kleinen drehzahlen ueber zwei gleichstromzwischenkreise speisenden umrichters

Info

Publication number: DE3627713A1
Application number: DE19863627713
Authority: DE
Inventors: Hans-Herbert Dipl Ing Voigt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1986-08-15
Filing date: 1986-08-15
Publication date: 1988-02-18
Also published as: DE3627713C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß den Ober begriffen der Patentansprüche 1 oder 3. Derartige Schaltungsanordnungen sind durch den Aufsatz "Fremdgeführte Zwischenkreisumrichter zur Speisung von Stromrichtermotoren mit sinusförmigen Anlaufströmen" von Dr. M. Depenbrock in ETZ-A, Band 87 (1966), Heft 26, Seiten 945 bis 951, insbesondere Seite 947 bekannt.

Beim Anfahren eines über einen Gleichstromzwischenkreis-Umrichter ge speisten Stromrichtermotors und zum Betrieb desselben bei kleinen Dreh zahlen reicht die Maschinenspannung nicht zur Kommutierung des Stromes von einem Ventilzweig des Maschinenstromrichters auf den nächstfolgenden aus. Es ist deshalb für den Bereich kleiner Drehzahlen bekannt, den Zwischen kreisstrom zu takten (vgl. den Aufsatz von Gölz/Grumbrecht "Umrichterge speiste Synchronmaschinen" in "Technische Mitteilungen AEG-Telefunken" 63 (1973), Heft 4, Seiten 141 bis 148). Dabei treten durch die Drehung des Maschinenläufers (und damit des Hauptflusses der Maschine) gegen den jeweils für 60° stillstehenden Strombelag des Maschinenständers Pendel momente auf, die sich wegen ihrer niedrigen Frequenzen störend auf den Betrieb der Maschine auswirken. Überdies ist der Drehmomentenverlauf des Stromrichtermotors unstetig, da zur Weiterschaltung des Strombelages jeweils stromlose Pausen erforderlich sind, während derer das Drehmoment völlig verschwindet.

Zur Reduzierung der Pendelmomente sind in der EP 0 087 115 A 1 zwei unter schiedliche Verfahren angegeben, die allerdings 12-pulsige Anordnungen benötigen. Voraussetzung für diese Verfahren sind mithin zwei um 30° gegen einander versetzte, jeweils galvanisch getrennt von einem Zwischenkreis-Um richter gespeiste Ständerwicklungssysteme beim Stromrichtermotor.

Für einen 6-pulsigen Betrieb eines Stromrichtermotors ist durch den eingangs genannten Aufsatz von M. Depenbrock eine Schaltungsanordnung für einen Umrichter mit zwei Gleichstromzwischenkreisen bekannt, bei der durch eine sinus-betragsförmige Modulation der Zwischenkreisströme über den Netz stromrichter und geeignete Ansteuerung der Thyristoren des Maschinen stromrichters der Synchronmaschine (Stromrichtermotor) sinusförmige Ströme aufgeschaltet werden. Damit ergibt sich praktisch ein pendelmomentfreier Lauf der Maschine auch bei niedrigsten Drehzahlen. Allerdings ist ein hoher Aufwand bezüglich der zu installierenden Stromrichter und der Transformator Bauleistung notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weniger aufwendige Schaltungs anordnungen der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit denen das zuvor erwähnte Verfahren für den pendelmomentfreien Lauf der Maschine im Be reich kleiner Drehzahlen durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 oder durch die im Anspruch 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Schaltungsanordnungen sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Umrichters gemäß der Erfindung,

Fig. 2 den Verlauf der Zwischenkreisströme und der Maschinenströme sowie der Schaltzustände der Thyristoren der Maschinenstrom richter beim in Fig. 1 gezeigten Umrichter sowie

Fig. 3 ein weiteres prinzipielles Schaltbild für einen Umrichter gemäß der Erfindung

In Fig. 1 ist ein Transformator T gezeigt, der aus einem dreiphasigen Netz über zwei jeweils in Stern geschaltete Sekundärwicklungen L 11, L 12, L 13 bzw. L 21, L 22, L 23 zwie Netzstromrichter NSR 1 bzw. NSR 2 speist. Die beiden Netzstromrichter NSR 1 bzw. NSR 2 sind jeweils durch drei (nicht näher bezeichnete) Thyristoren in Mittelpunktschaltung gebildet und speisen über stromeinprägende Zwischenkreisdrosseln L 1, L 2 zwei Maschinenstrom richter MSR 1 bzw. MSR 2 mit Zwischenkreisströmen I _{d 1} bzw. I _{d 2}. Die Maschinenstromrichter MSR 1 bzw. MSR 2 sind mit einer dreiphasigen, gleichstromerregten Synchronmaschine M verbunden, von der nur die drei Ständerwicklungen gezeigt sind.

Die beiden Netzstromrichter NSR 1, NSR 2 sind zu einer Drehstrombrücke durch einen in der wechselspannungsseitigen Brückendiagonalen angeordneten dreiphasigen Schalter K zusammenschaltbar. Dieser Schalter kann z. B. ein Schütz sein.

Die Maschinenstromrichter MSR 1 und MSR 2 bilden mit ihren Thyristoren V 14, V 16, V 12 und V 21, V 23, V 25 zwei Halbbrücken, die zu einer mit der dreiphasigen Wicklung des Synchronmotors M verbundenen Drehstrom brücke zusammengeschaltet sind.

Die beiden Phasen des Maschinenstromrichters MSR 1, in denen die Thy ristoren V 14 und V 16 liegen, sind über zwei Halbleiterschalter V 11, V 13 mit dem Sternpunkt der Sekundärwicklung des Transformators T verbunden, die den Netzstromrichter NSR 1 speist. In gleicher Weise sind die beiden Phasen des Maschinenstromrichters MSR 2, in denen die Thyristoren V 23 und V 25 liegen, über zwei Halbleiterschalter V 26 und V 22 mit dem Sternpunkt der Sekundärwicklung des Transformators T verbunden, die den Netzstromrichter NSR 2 speist. Bei niedrigen Drehzahlen, also insbesondere beim Anfahren des Synchron motors M, bei denen die Maschinenspannung nicht zur Kommutierung des Stromes von einem Ventilzweig der Maschinenstromrichter MSR 1, MSR 2 auf den nächstfolgenden Ventilzweig ausreicht, bleibt der dreiphasige Schal ter K geöffnet. Die beiden Zwischenkreisströme I _{d 1} und I _{d 2} können somit unabhängig voneinander durch Ansteuern der Ventile des Netzstromrichters NSR 1 bzw. der Ventile des Netzstromrichters NSR 2, unabhängig voneinander beeinflußt und über die Thyristoren V 14, V 16 sowie die Halbleiterschalter V 11, V 13 beim Maschinenstromrichter MSR 1 bzw. über die Thyristoren V 23, V 25 sowie die Halbleiterschalter V 26, V 22 beim Maschinenstrom richter MSR 2 der Maschine zugeführt werden. Durch geeignete Ansteuerung der Ventile des Netzstromrichters NSR 1 erhält der Zwischenkreisstrom I _{d 1} die in Fig. 2 gezeigte Sinusform, während dazu phasenversetzt durch entsprechende Ansteuerung der Ventile des Netzstrom richters NSR 2 der Zwischenkreisstrom I _{d 2} ebenfalls in Sinuswellen fließt. Durch die sinus-betragsförmige Modulation der Zwischenkreisströme I _{d 1} und I _{d 2} und durch entsprechende Ansteuerung der Thyristoren V 14, V 16, V 23, V 25 sowie der Halbleiterschalter V 11, V 13, V 26, V 22 entsprechend den in Fig. 2 gezeigten leitenden Schaltzuständen ergeben sich die ebenfalls in Fig. 2 gezeigten drei Maschinenströme I _{m 1}, I _{m 2}, I _{m 3} in entsprechender Sinusform. Damit wird ein praktisch pendelmomentfreier Lauf der Maschine auch bei niedrigen Drehzahlen erreicht. Die Leitdauer der maschinenseitigen Schaltelemente beträgt dabei jeweils 180°el bezogen auf die Maschinenfrequenz. Der Thyristor V 12 des Maschinenstromrichters MSR 1 sowie der Thyristor V 21 des Maschinenstromrichters MSR 2 werden, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, in diesem Betriebsbereich nicht gezündet. Da die stromlosen Pausen des Zwischen kreisstromes mit den Nulldurchgängen des Maschinenstromes jeweils zusammenfallen, können durch sie auch keine Unstetigkeiten im Drehmoment hervorgerufen werden. Zum Übergang in den lastkommutierten Betrieb der Maschinenstromrichter MSR 1, MSR 2 werden die Kontakte des dreiphasigen Schalters K geschlossen; die Netzstromrichter NSR 1 und NSR 2 bilden damit eine 6-pulsige Brücken schaltung, die über die beiden parallelgeschalteten Sekundärwicklungen des Transformators T gespeist wird. Desgleichen wird maschinenseitig nunmehr eine Drehstrombrücke aus den beiden Maschinenstromrichtern MSR 1 und MSR 2 gebildet, indem die Thyristoren V 12, V 14, V 16 und die Thyristoren V 21, V 23, V 25 in üblicher Weise angesteuert werden. Die Halbleiterschalter V 11, V 13 und V 22, V 26 werden in diesem lastkommutierten Betrieb nicht mehr angesteuert, wodurch sich die Anordnung in ihrer Funktionsweise nicht mehr von einer herkömmlichen Schaltung eines 6-pulsigen Stromrichtermotors unterscheidet. Insofern erübrigt sich eine weitere Beschreibung des Betriebes des Umrichters. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden, wie in Fig. 3 angegeben, die netzseitigen Stromrichter NSR 1, NSR 2 jeweils als vollständige Drehstrom Brückenschaltungen ausgebildet. Durch einen bei niedrigen Drehzahlen geöff neten Schalter S sind diese beiden Drehstrom-Brückenschaltungen außerhalb des Anfahrbereiches der beiden Stromrichter NSR 1 und NSR 2 gleichspan nungsseitig verbunden und damit in Reihe geschaltet. Die Anschlußpole des die Netzstromrichter NSR 1, NSR 2 verbindenden Schalters S stehen mit den Maschinenstromrichtern MSR 1 und MSR 2 während des Anfahrens über Halb leiterschalter V 11, V 13 bzw. V 26, V 22 in Verbindung. Da der Schalter S, der als Kontakt oder als Schaltthyristor ausgebildet sein kann, während des Anfahrens geöffnet ist, können die beiden Zwischenkreis ströme I _{d 1} I _{d 2} wiederum unabhängig voneinander beeinflußt werden, so daß sich diese Ströme wiederum, wie in Fig. 2 gezeigt, ausbilden. Bezüglich der Ansteuerung der maschinenseitigen Thyristoren im Anfahrbereich ist auch für die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung das in Fig. 2 angegebene Diagramm über die Schaltzustände der Schaltelemente gültig.

Entsprechend Fig. 3 ist die eine Sekundärwicklung des Netztransformators T im Stern und die andere im Dreieck geschaltet. Damit ergeben sich 12-pulsige Netz rückwirkungen, was insbesondere bei Antrieben höherer Leistung von Vorteil ist.

Maßgebend für die Dimensionierung der Bauelemente im Leistungsteil des Um richters ist das geforderte Drehmoment Mn, das der Grundschwingung I _{m 1} des Maschinenstroms proportional ist. Unter der Voraussetzung sinusförmiger An steuerung gilt, sofern der Zwischenkreisstrom I _d jeweils dem Nennwert des Zwischenkreisstromes entspricht, im Anfahrbereich:

Im lastkommutierten Bereich gilt unter der vereinfachenden Voraussetzung, daß der Leistungsfaktor cosϕ _m=1 ist:

d. h. das Drehmoment Mn _A im Anfahrbereich ist bezogen auf das Drehmoment Mn _B während des lastkommutierten Betriebes.

Da aber wegen des unter 1 liegenden Leistungsfaktors im lastkommutierten Betrieb eine strommäßige Überdimensionierung erforderlich ist, braucht für den Anfahrvorgang keine weitere Leistung installiert zu werden.

Bei Anwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist die Bauleistung des Transformators nur um etwa 15% zu erhöhen, während die Auslegung der Ventile der Netzstromrichter davon unbeeinflußt bleibt.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist eine Überdimensionierung des Transformators T nicht erforderlich.

Claims

1. Schaltungsanordnung für einen dreiphasigen, gleichstromerregten Synchronmotor im 6-pulsigen Betrieb speisenden Umrichter, der zur Erzielung sinusförmiger Ströme beim Anfahren des Synchronmotors zwei getrennte Gleichstromzwischenkreise mit stromeinprägenden Drosselspulen zwischen jeweils einem über eine separate, in Stern schaltung ausgeführte Sekundärwicklung eines Netztransformators ge speisten Netzstromrichter und einem an die dreiphasige Wicklung des Synchronmotors angeschlossenen Maschinenstromrichter aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Netzstromrichter (NSR 1, NSR 2) jeweils dreiphasig in Mit telpunktschaltung ausgeführt sind und zu einer Drehstrombrücke durch einen in der wechselspannungsseitigen Brückendiagonalen angeordneten, während des Anfahrens geöffneten, dreiphasigen Schalter (K) zusammen schaltbar sind,
daß jeder Maschinenstromrichter (MSR 1, MSR 2) als eine Halbbrücke einer mit der dreiphasigen Wicklung des Synchronmotors (M) verbundenen Drehstrombrücke ausgebildet ist, bei der beim Anfahren jeweils nur zwei der drei Thyristoren einer Halbbrücke in den leitenden Zustand gesteuert werden und jede der entsprechenden beiden Phasen jeweils über einen beim Anfahren ansteuerbaren Halbleiterschalter (V 11, V 13; V 22, V 26) an einen der Sternpunkte der Sekundärwicklungen (L 11 . . . L 13; L 21 . . . L 23) des Netztransformators (T) angeschlossen ist (Fig. 1).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der dreiphasige Schalter (K) als Schütz ausgebildet ist.

3. Schaltungsanordnung für einen dreiphasigen, gleichstromerregten Synchronmotor im 6-pulsigen Betrieb speisenden Umrichter, der zur Erzielung sinusförmiger Ströme beim Anfahren des Synchronmotors zwei getrennte Gleichstromzwischenkreise mit stromeinprägenden Drosselspulen zwischen jeweils einen über eine separate Sekundär wicklung eines Netztransformators gespeisten, in Drehstrombrücken schaltung ausgebildeten Netzstromrichter und einem an die dreiphasige Wicklung des Synchronmotors angeschlossenen Maschinenstromrichter aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden jeweils einen Netzstromrichter (NSR 1, NSR 2) bilden den Drehstrombrücken gleichspannungsseitig über einen während des Anfahrens geöffneten Schalter (S) verbunden sind und
daß jeder Maschinenstromrichter (MSR 1, MSR 2) als eine Halbbrücke einer mit der dreiphasigen Wicklung des Synchronmotors (M) verbundenen Drehstrombrücke ausgebildet ist, bei der beim Anfahren jeweils nur zwei der drei Thyristoren einer Halbbrücke in den leitenden Zustand gesteuert werden und jede der entsprechenden beiden Phasen jeweils über einen beim Anfahren ansteuerbaren Halbleiterschalter (V 11, V 13; V 22, V 26) an einen der Pole des die Drehstrombrücken der Netzstromrichter (NSR 1, NSR 2) verbindenden Schalters (S) angeschlossen ist (Fig. 3)

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die eine Sekundärwicklung des Netztransformators (T) im Stern und die andere im Dreieck geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schalter (S) als Halbleiterschalter ausgebildet ist.