DE3934400C2 - Verfahren zum Betrieb zweier gemeinsam eine dreiphasige Maschine speisender Gleichstromzwischenkreis-Umrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist durch die DE 36 27 713 A1 bekannt.

Zur Speisung großer Synchronmotoren in drehzahlveränderlichen An­ trieben haben sich sowohl der Direktumrichter als auch der Zwischen­ kreisumrichter bewährt.

Der Direktumrichter (im folgenden auch D-Umrichter genannt) prägt bei Ständerfrequenzen der Maschine von 0 . . . 1/3 der Netzfrequenz der Maschine in guter Näherung sinusförmige Ströme ein, und der An­ trieb erzeugt geringe Rüttelmomente. Er ist aber bei höheren Fre­ quenzen nicht arbeitsfähig. Der I-Umrichter prägt der Maschine im gesamten Ständerfrequenzbereich (mit speziellen Anfahrverfahren bei kleinen Frequenzen) blockförmige Ströme ein. Die erzeugten Rüttelmo­ mente stören besonders im unteren Frequenzbereich.

Zur Reduzierung der störenden Momentschwankungen sind in der EP 0 087 115 A1 zwei unterschiedliche Verfahren angegeben, die 12-pul­ sige Anordnungen benötigen. Voraussetzung für diese Verfahren sind mithin zwei um 30° gegeneinander versetzte, jeweils galvanisch ge­ trennt von einem Zwischenkreis-Umrichter gespeiste Ständerwicklungs­ systeme beim Stromrichtermotor.

Für einen 6-pulsigen Betrieb eines Stromrichtermotors ist durch den Aufsatz von M. Depenbrock "Fremdgeführte Zwischenkreisumrichter zur Speisung von Stromrichtermotoren mit sinusförmigen Anlaufströmen" in "ETZ-A", Band 87 (1966), Heft 26, Seiten 945 bis 951, eine Schal­ tungsanordnung für einen Umrichter mit zwei Gleichstromzwischenkrei­ sen bekannt, bei der durch eine sinus-betragsförmige Modulation der Zwischenkreisströme über den Netzstromrichter und geeignete Ansteue­ rung der Thyristoren des Maschinenstromrichters 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 bezüg­ lich der zu installierenden Stromrichter- und der Transformator-Bau­ leistung notwendig.

Mit dem durch die eingangs genannte DE 36 27 713 A1 bekannten Ver­ fahren ist es möglich, bei geringem Schaltungsaufwand für einen pendelmomentfreien Lauf der Maschine im Bereich niedriger Drehzah­ len zu sorgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das zuvor angegebene Ver­ fahren derart weiterzubilden, daß eine optimale Umschaltung vom Di­ rektumrichterbetrieb bei geringen Drehzahlen der Drehstrommaschine zum I-Umrichterbetrieb bei höheren Drehzahlen und umgekehrt vorge­ nommen werden kann.

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

Damit ist die Umschaltung zwischen Direktumrichter- und I-Umrichterbetrieb in beiden Richtungen problemlos gewährleistet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist in dem Unteranspruch gekennzeichnet.

Das Verfahren nach der Erfindung soll für ein Beispiel anhand der Zeichnung im folgenden erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit zwei Gleichstrom­ zwischenkreis-Umrichtern, die eine Drehstrom­ maschine speisen,

Fig. 2 den Verlauf der drei Phasenströme der Drehstrom­ maschine und den Verlauf der Zwischenkreisströme der beiden in Fig. 1 gezeigten Umrichter beim Di­ rektumrichterbetrieb,

Fig. 3 den Stromverlauf in den Umrichtern beim Direktum­ richterbetrieb unmittelbar vor dem Umschalten zum I-Umrichterbetrieb,

Fig. 4 den Stromverlauf in den Umrichtern unmittelbar nach dem Umschalten in den I-Umrichterbetrieb,

Fig. 5 den Zeitverlauf der Maschinenströme und Zünd­ muster für den Direktumrichter- und den I-Umrichterbetrieb.

Fig. 1 zeigt zwei Umrichter 1, 2, die aus einem (nicht näher bezeichneten) dreipha­ sigen Netz über einen Transformator W die dreiphasige Ständerwicklung RST einer Drehstrommaschine, vorzugsweise eines Synchronmotors, speisen.

Der Transformator W weist eine mit dem dreiphasigen Netz verbundene, dreiphasige Primärwicklung W0 und zwei dreiphasige Sekundärwicklun­ gen W1, W2 auf. Die im Stern geschaltete Sekundärwicklung W1 ist mit dem Umrichter 1 und die im Dreieck geschaltete Sekundärwick­ lung W2 ist mit dem Umrichter 2 verbunden.

Der Umrichter 1 ist aus einem netzseitigen Stromrichter N1, einer Zwischenkreisdrossel L1 und einem maschinenseitigen Stromrich­ ter M1 gebildet, während der Umrichter 2 aus einem netzseitigen Stromrich­ ter N2, einer Zwischenkreisdrossel L2 und einem maschinenseitigen Stromrichter M2 besteht. Die als Thyristoren ausgebildeten Stromrich­ terventile der maschinenseitigen Stromrichter M1 und M2 sind je­ weils in der Reihenfolge ihrer Zündung von 1′ bis 6′ und 1 _* bis 6 _* bezeichnet. Da die Ventile 6′ des Umrichters 1 und 1 _* des Umrich­ ters 2 aber entsprechend dem durch die DE 36 27 713 A1 bekannten Be­ trieb nicht benötigt werden, sind sie hier fortgelassen.

Die beiden als Drehstrombrücken ausgebildeten, netzseitigen Strom­ richter N1, N2 sind gleichspannungsseitig über einen beim I-Umrich­ terbetrieb (d. h. bei höheren Maschinendrehzahlen) in den leitenden Zustand gesteuerten, als Thyristor ausgebildeten Schalter V verbunden.

Die Wirkungsweise der beiden Umrichter 1, 2 im I-Umrichterbetrieb wird von A. Kloss in dem Buch "Leistungselektronik ohne Ballast", Franzis-Verlag, München 1980, Sei­ ten 165 bis 171 beschrieben und hier somit als bekannt vorausgesetzt. Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung werden beim I-Umrichterbetrieb die beiden ma­ schinenseitigen Stromrichter M1, M2 mit denselben Zündimpulsen ver­ sorgt und verhalten sich wie ein Stromrichter größerer Leistung. Beide Zwischenkreisströme werden allerdings getrennt über die netz­ seitigen Stromrichter N1, N2 mit zwei getrennten (in Fig. 1 nicht gezeigten) Stromreglern eingestellt.

Zum Anfahren und bei sonstigen Betriebszuständen bei niedrigen Dreh­ zahlen werden die beiden Umrichter 1, 2 durch Zünden von jeweils zwei Ventilen der maschinenseitigen Stromrichter M1, M2 im Direktumrich­ terbetrieb betrieben, wobei die netzseitigen Stromrichter N1, N2 derart gezündet werden, daß als Zwischenkreisströme i_d1, i_d2 während jeder Halbperiode Ströme in einer sinusförmigen Halbschwingung auftreten. Da die netzseitigen Stromrichter N1, N2 nur in einer Rich­ tung Strom führen können, muß der maschinenseitige Stromrichter M1, M2 für die Umkehrung der Stromrichtung sorgen. Die Ströme in den Zwischenkreisdrosseln L1, L2 sind also nur positive Halbschwingungen.

In Fig. 2 sind die Zwischenkreisströme i_d1 und i_d2 beim Direktumrich­ terbetrieb gezeigt, wobei an den einzelnen Halbschwingungen die Ven­ tile bezeichnet sind, die dann jeweils abwechselnd leitend sein müssen.

Aus den Zwischenkreisströmen i_d1, i_d2 werden durch entsprechende Zün­ dung von jeweils zwei Ventilen der beiden maschinenseitigen Stromrich­ ter M1, M2 die sinusförmigen Phasenströme i_R, i_S, i_T der Maschine gebildet. Jeder der beiden Umrichter führt jeweils einen der Phasen­ ströme, während sich der dritte Phasenstrom aus der Summe der beiden anderen ergibt.

Eine Umschaltung vom Direktumrichterbetrieb in den I-Umrichterbetrieb kann erfolgen, wenn eine ausreichend hohe Drehzahl der Maschine er­ reicht ist. Dann nämlich reicht die Maschinenspannung zur Kommutierung des Stromes von einem Ventil der maschinenseitigen Stromrichter M1, M2 zum nächsten Ventil aus.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Umschaltung beim Erreichen der Um­ schaltdrehzahl zum in Fig. 2, 5 gezeigten Zeitpunkt t₀ bzw. t₁. Dann nämlich ist gerade der eine Phasenstrom (i_T) zu Null geworden und beide Zwischenkreisströme sind vom Betrage her gleich groß.

In Fig. 3 ist (gestrichelt und gepunktet) der Verlauf der Ströme inner­ halb der in Fig. 1 gezeigten Schaltung im Direktumrichterbetrieb un­ mittelbar vor dem Zeitpunkt t₁ eingezeichnet. In der Wicklung T fließt gerade kein Strom und die Ventile 1′, 2′ des maschinenseitigen Strom­ richters M1 sowie die Ventile 5 _* und 6 _* des maschinenseitigen Strom­ richters M2 sind gezündet.

Zum Zeitpunkg t₁ wird der bislang stromlose, als Thyristor ausgebil­ dete Schalter V gezündet. Der gepunktete Stromverlauf gemäß Fig. 3 erlischt dann.

In Fig. 4 ist der (gestrichelte und gepunktete) Stromverlauf in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung unmittelbar nach dem Umschalten in den I-Umrichterbetrieb gezeigt. Der Schalter V ist gezündet und führt den gestri­ chelt eingezeichneten Strom. Wenn nach dem Umschalten noch der gepunk­ tet dargestellte Strom fließen sollte, muß der Zündwinkel des ersten netzseitigen Stromrichters N1 kurzzeitig vergrößert und der Zündwin­ kel des zweiten netzseitigen Stromrichters N2 entsprechend verklei­ nert werden. Mit dem Zünden des Schalters V werden die beiden die Zwischenkreisströme regelnden Stromregler auf Gleichlauf gestellt. Da die Umrichter 1, 2 nun im I-Umrichterbetrieb arbeiten, sind die Zwischenkreisströme konstant, und die Phasenströme fließen blockförmig durch die Wicklungen RST.

Die Höhe der Zwischenkreisströme beim I-Umrichterbetrieb beträgt

Beim Direktumrichterbetrieb sind im Umschaltaugenblick (Zeitpunkt t₀ bzw. t₁) die Zwischenkreisströme i_d1 und i_d2 gleich groß, aber nur

i_d1 = i_d2 = sind 60° · i_dmax = 1,22 i_eff

groß.

Um einen Sprung in den Maschinenströmen beim Umschalten zu vermeiden, muß also beim Übergang vom Direktumrichterbetrieb in den I-Umrichter­ betrieb der Augenblickswert der Zwischenkreisströme um 5% angehoben werden. Bei der umgekehrten Umschaltung muß dementsprechend der Au­ genblickswert der Zwischenkreisströme um 5% abgesenkt werden.

Fig. 5 zeigt im oberen Diagramm den Verlauf der Ströme i_R und i_S über der Zeit t im Direktumrichterbetrieb und dazu die Zeitbereiche, in denen die Ventile 5′, 4′ bzw. 1′, 2′ des ersten maschinenseitigen Stromrichters M1 sowie die Ventile 3 _*, 2 _* bzw. 5 _*, 6 _* des zweiten ma­ schinenseitigen Stromrichters M2 jeweils gezündet sind, und im unte­ ren Diagramm den zeitlichen Verlauf der Ströme i_R und i_S im I-Umrich­ terbetrieb sowie dazu die Zündmuster der Ventile 1′, 3′, 5′ des ersten maschinenseitigen Stromrichters M1 und der Ventile 2 _*, 4 _*, 6 _* des zwei­ ten maschinenseitigen Stromrichters M2. Die beiden Umschaltzeit­ punkte t₀ bzw. t_1, bei denen die optimale Umschaltung vom Direkt- in den I-Umrichterbetrieb oder umgekehrt möglich ist, sind gestri­ chelt eingetragen.

Claims (2)

1. Verfahren zum Betrieb zweier gemeinsam eine dreiphasige Maschine speisender Gleichstromzwischenkreis-Umrichter, die jeweils aus einem netzseitigen Stromrichter, einer Zwischen­ kreisdrossel und einem maschinenseitigen Stromrichter bestehen, bei denen bei höheren Maschinendrehzahlen mit blockförmigen Phasenströmen ein Betrieb als I-Umrichter durchgeführt wird und die beiden als Drehstrombrücken ausgebildeten netzseitigen Stromrichter dabei über einen bei niedrigen Drehzahlen geöffneten Schalter gleichspannungsseitig verbunden werden und bei denen bei niedrigen Maschinendrehzahlen mit sinusförmigen Phasenströmen ein Betrieb als Direktumrichter durchgeführt wird, wobei von jedem maschinenseitigen Stromrichter jeweils zwei der drei Ventile jeder Halbbrücke abwechselnd in den leitenden Zustand gesteuert werden, so daß von den beiden Umrichtern jeweils einer der Phasenströme der Maschine geführt wird und der dritte Phasenstrom als Summe aus den beiden durch die maschinenseitigen Stromrichter fließen­ den Ströme gebildet wird und wobei bei I-Umrichterbetrieb der die netz­ seitigen Stromrichter verbindende Schalter geschlossen wird und pro maschinenseitigem Stromrichter nur ein Ventil der nicht mit dem Schalter verbundenen Halbbrücken gezündet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß vom Direktumrichterbetrieb bei niedrigen Drehzahlen zum I-Um­ richterbetrieb bei höheren Drehzahlen bzw. umgekehrt vom I-Umrich­ terbetrieb zum Direktumrichterbetrieb zu einem Zeitpunkt umge­ schaltet wird, bei dem die beiden Zwischenkreisströme im Direkt­ umrichterbetrieb vom Betrage gleich groß sind bzw. wären und der dritte Phasenstrom der Maschine gerade zu Null wird bzw. würde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Umschaltung vom Direktumrichterbetrieb in den I-Um­ richterbetrieb der Augenblickswert der Zwischenkreisströme um 5% angehoben wird und
daß bei der Umschaltung vom I-Umrichterbetrieb in den Direktumrich­ terbetrieb der Augenblickswert der Zwischenkreisströme um 5% ab­ gesenkt wird.