DE4331214A1 - Verfahren zum Betrieb eines durch zwei Stromzwischenkreisumrichter gespeisten Drehstrommotors, der zwei galvanisch getrennte, elektrisch um 30 DEG versetzte dreiphasige Ständerwicklung aufweist - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines durch zwei Stromzwischenkreisumrichter gespeisten Drehstrommotors, der zwei galvanisch getrennte, elektrisch um 30 DEG versetzte dreiphasige Ständerwicklung aufweistInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist durch die DE 39 33 524 A1 bekannt.
Zur Speisung großer Synchronmotoren in drehzahlveränderlichen Antrieben
haben sich sowohl der Direktumrichter als auch die Zwischenkreisumrichter
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 Antrieb erzeugt keine
Rüttelmomente. Er ist aber bei höheren Frequenzen nicht arbeitsfähig.
Der Umrichter mit Stromzwischenkreis - im folgenden auch I-Umrichter
genannt - prägt der Maschine im gesamten Ständerfrequenzbereich (mit
speziellen Anlaufverfahren bei kleinen Frequenzen) blockförmige Ströme ein.
Die dadurch erzeugten Rüttelmomente stören besonders im unteren Frequenz
bereich.
Aus diesen Gründen werden in der Praxis beide Verfahren kombiniert. Bei
niedrigen Frequenzen, insbesondere beim Anfahren des Drehstrommotors
erfolgt deshalb ein Direktumrichterbetrieb, während bei höheren Frequenzen
dann auf den I-Umrichterbetrieb übergegangen wird.
Um speziell im I-Umrichterbetrieb ein gleichmäßiges Drehmoment zu erhalten,
werden darüber hinaus 6-strängige Maschinen eingesetzt, die zwei galvanisch
getrennte, elektrisch gegeneinander um 30° versetzte dreiphasige Ständer
wicklungssysteme aufweisen. Demgemäß sind auch zur Speisung der beiden
Ständerwicklungssysteme zwei Stromzwischenkreisumrichter vorgesehen.
Auf den Betrieb eines derartigen Antriebsaufbaus bezieht sich die Erfindung.
Auch hierbei besteht natürlich die Forderung, bei niedrigen Drehzahlen, d. h.
im Direktumrichterbetrieb, ein rüttelfreies Drehmoment des Drehstrommotors
zu erzeugen.
Eine Schaltungsanordnung, mit der bei einem 6-strängigen Drehstrommotor
im Direktumrichterbetrieb sinusförmige Maschinenströme und damit ein
gleichmäßiges Drehmoment erzeugt werden können, ist durch die DE 35 25 421 C2
bekannt. Dabei fließen die Zwischenkreisströme der beiden Stromzwischenkreis
umrichter im Direktumrichterbetrieb als gegeneinander um 90° versetzte sinus
förmige Halbschwingungen, die durch entsprechende Zündung der Maschinen
stromrichterventile zu den gewünschten sinusförmigen Maschinenströmen zu
sammengesetzt werden, wobei die gleichzeitig stromdurchflossenen Wicklungen
jeweils in ihrer Wirkung orthogonal zueinander liegen.
Ebenso ist es mit dem in der oben angegebenen DE 39 33 524 A1 beschriebenen
Verfahren möglich, neben einem einfachen Übergang vom Direktumrichterbetrieb
in den I-Umrichterbetrieb störende Drehmomentschwankungen im niedrigen Dreh
zahlbereich mittels sinusförmig fließender Maschinenströme zu vermeiden.
Die Erzeugung sinusförmiger Maschinenströme im D-Umrichterbetrieb gemäß
der DE 35 25 421 C2 bzw. der DE 39 33 524 A1 bedingt jedoch eine ungleich
förmige Auslastung aller Ventile der maschinenseitigen Teilstromrichter. Die
Ventile (insbesondere Thyristoren) werden deshalb ungleichmäßig erwärmt, so
daß ein Teil von ihnen nicht entsprechend hoch belastet wird, während der
übrige Teil bereits an der Belastbarkeitsgrenze betrieben wird.
Durch den Aufsatz "Fremdgeführte Zwischenkreisumrichter zur Speisung von
Stromrichtermotoren mit sinusförmigen Anlaufströmen" von Dr. M. Depenbrock
in ETZ-A, Band 87 (1966), Heft 26, Seite 945 bis 951 ist ein Verfahren bekannt,
das ein zyklisches Vertauschen der Stromführungszeiten von maschinenstrom
richterseitigen Ventilen vorsieht, was zu einer gleichmäßigen Auslastung aller
Ventile führt, wodurch sich eine gleichmäßige Erwärmung und damit insgesamt
eine höhere Belastbarkeit jedes Teilstromrichters einstellt. Voraussetzung für
dieses Verfahren sind nicht-sinusförmige Ströme in den beiden Teilumrichtern,
die zu sinusförmigen und damit rüttelmomentfreien Maschinenströmen addiert
werden. Allerdings ist dieses Verfahren nur für eine dreisträngige Maschine
angegeben und auch nur für eine solche durchführbar. D. h., mit dem bekannten
Verfahren sind sinusförmige Maschinenströme im hier angesprochenen Betrieb
eines 6-strängigen Drehstrommotors bei niedrigen Drehzahlen nicht zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angege
benen Art derart auszugestalten, daß beim Betrieb des 6-strängigen Drehstrom
motors im Direktumrichterbetrieb eine gleichmäßig rotierende St rombelagswelle
mit konstanter Amplitude in den Ständerwicklungen bei gleichmäßiger Auslastung
der maschinenseitigen Stromrichterventile erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekenn
zeichneten Merkmale gelöst.
Damit wird zwar kein sinusförmiger Verlauf des Maschinenstroms erreicht;
es ergibt sich jedoch die gleiche Wirkung wie bei einem Wicklungssystem,
das sinusförmige Ströme zuläßt, nämlich ein gleichmäßiges Drehmoment bei
im Bezug auf alle maschinenstromrichterseitigen Ventile gleichmäßig verteiltem
Stromfluß. Zusätzlich ist dadurch, daß für den Direktumrichterbetrieb der zeit
liche Zündbereich gleich demjenigen für den I-Umrichterbetrieb ist, die Steuerung
des maschinenseitigen Stromrichters besonders einfach aufzubauen. Auch ist ein
gleitender Übergang zwischen dem Direktumrichterbetrieb und dem I-Umrichter
betrieb vorteilhafterweise möglich.
Eine diesbezügliche Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist im
Anspruch 2 gekennzeichnet.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der
Zeichnung erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines über zwei Teil- (Stromzwischenkreis-)
Umrichter gespeisten 6-strängigen Drehstrommotors,
Fig. 2a) den zeitlichen Stromleitbereich (Zündphase) der gezeigten Ventile
der maschinenseitigen Stromrichter gemäß Fig. 1 beim Direkt
umrichterbetrieb und beim I-Umrichterbetrieb,
Fig. 2b) die sich daraus ergebenden Maschinenströme mit
Fig. 2c) den dabei zugrundeliegenden Zwischenkreisströmen,
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des Stromes durch eines der Ventile
eines maschinenseitigen Stromrichters
Fig. 3a) beim I-Umrichterbetrieb und
Fig. 3b) beim Direktumrichterbetrieb und
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf eines der beiden Zwischenkreisströme
bei einem gleitenden Übergang vom Direktumrichterbetrieb
gemäß der Erfindung zum I-Umrichterbetrieb.
Gemäß Fig. 1 ist ein mit einer Primärwicklung 40 versehener Transformator 4
an ein dreiphasiges Netz U, V, W angeschlossen.
Eine im Dreieck geschaltete Sekundärwicklung 41 des Transformators 4
speist einen Teil-(Stromzwischenkreis-)Umrichter 1, der aus einem in
dreiphasiger Brückenschaltung aus nicht näher bezeichneten Thyristoren
aufgebauten Netzstromrichter 11, einer von einem Zwischenkreisstrom id1
durchflossenen Zwischenkreisdrossel 12 und einem Maschinenstromrichter 13
besteht. Der Maschinenstromrichter 13 weist in dreiphasiger Brückenschaltung
geschaltete Thyristoren als Ventile 1.1 bis 6.1 auf. Ausgangsseitig speist der
Teilumrichter 1 Maschinenströme iU, iV, iW in eine erste dreiphasige Ständer
wicklung 31 eines hier nur durch seine Ständerwicklungen 31, 32 dargestellten
Drehstrommotors 3 ein.
Eine weitere im Stern geschaltete Sekundärwicklung 42 des Transformators 4
ist an einen weiteren Teil-(Stromzwischenkreis-)Umrichter 2 angeschlossen,
der aus einem in dreiphasiger Brückenschaltung aus nicht näher bezeichneten
Thyristoren gebildeten Netzstromrichter 21, einer von einem Zwischenkreisstrom id2
durchflossenen Zwischenkreisdrossel 22 und einem Maschinenstromrichter 23
besteht. Die als Thyristoren ausgebildeten Ventile 1.2 bis 6.2 des Maschinen
stromrichters 23 sind als dreiphasige Brücke geschaltet und speisen Maschinen
ströme i′U, i′V, i′W in die zweite dreiphasige Ständerwicklung 32 des Dreh
strommotors ein.
Die beiden galvanisch voneinander getrennten Ständerwicklungen 31 und 32
sind gegeneinander um 30° elektrisch versetzt.
Die beiden Teilumrichter 1, 2 werden (außer bei geringen Drehzahlen des
Drehstrommotors 3) in bekannter Weise als I-Umrichter mit blockförmigen
Maschinenströmen iU, iV, iW bzw. i′U, i′V, i′W betrieben.
In Fig. 2a ist der entsprechende zeitliche Stromleitbereich der Ventile 1.1 bis
1.6 bzw. 1.2 bis 6.2 für den I-Umrichterbetrieb schraffiert über der Zeit ωt
dargestellt. Die Stromflußdauer beträgt pro Ventil 120°, wobei die Ventile
jedes der Maschinenstromrichter 13, 23 pro Phase des Maschinenstromes sich
in ihrem Stromfluß abwechseln, jeweils zwei Ventile leitend sind und die Zünd
muster (zeitliche Stromleitbereiche) in den beiden Maschinenstromrichtern 12, 13
entsprechend dem Versatz der beiden Ständerwicklungen 31, 32 ebenfalls um
30° versetzt sind.
Im Bereich niedriger Drehzahlen des Drehstrommotors 3, insbesondere auch beim
Anfahren, ist sicherzustellen, daß keine Rüttelmomente auftreten. Dazu ist ein
I-Umrichterbetrieb der beschriebenen Form nicht geeignet. Vielmehr soll ein
entsprechend der Erfindung gestalteter Direktumrichterbetrieb eine Wirkung er
zielen, als flösse durch die Wicklungen 31, 32 des Drehstrommotors 3 ein
sinusförmiger Strom, wodurch gewünschtermaßen ein entsprechend gleich
mäßiges Drehmoment am Motor 3 auftritt und gleichzeitig die Ventile 1.1
bis 6.1 und 1.2 bis 6.2 mit einem über die Zeit gesehen für alle gleichen
Stromfluß belastet sind.
Dazu führen im Direktumrichterbetrieb die beiden Teilumrichter 1, 2 Zwischen
kreisströme id1, id2, von denen in einem ersten Intervall mit einer Zeitdauer
von ωt = 30° der Zwischenkreisatom id1 in dem Zwischenkreis des Teil
umrichters 1 einen von sin (0°) auf sin (30°) ansteigenden Abschnitt eines
Sinusverlaufs hat, während der Zwischenkreisstrom id2 in dem Zwischen
kreis des Teilumrichters 2 einen von sin (150°) auf sin (180°) abfallenden
Verlauf eines Abschnitts der Sinusfunktion hat. In den darauf folgenden
Zeitintervallen von jeweils erneut 30° Dauer werden die Sinusabschnitts
funktionen für die Stromverläufe in den beiden Zwischenkreisen jeweils
regelmäßig vertauscht. D. h., im zweiten Intervall von erneut 30° Dauer
fällt der Zwischenkreisstrom id1 gemäß dem Verlauf des Sinus von sin (150°)
bis sin (180°) ab, während der Strom id2 entsprechend der Sinusfunktion im
Abschnitt zwischen sin (0°) und sin (30°) ansteigt. Im 30°-Intervall danach
wechseln dann die Funktionsverläufe hinsichtlich der beiden Zwischenkreis
ströme id1, id2 erneut. Dabei ist der zeitliche Zündbereich der Ventile inner
halb jeder Periode des Maschinenstroms der gleiche wie im I-Umrichterbetrieb.
Der mit dem I-Umrichterbetrieb übereinstimmende zeitliche Zündbereich der
Ventile 1.1 bis 6.1 und 1.2 bis 6.2 im Direktumrichterbetrieb ist in Fig. 2a
über der Zeit ωt als ausgezogene Blockform dargestellt.
In Fig. 2c sind im gleichen Zeitmaßstab die erfindungsgemäß verlaufenden,
aus den Sinusabschnitten pro 30°-Intervall zusammengesetzten Zwischenkreis
ströme id1 (ausgezogen) und id2 (gestrichelt) gezeigt.
In der zeitlichen Zuordnung zu den Zündbereichen gemäß Fig. 2a und den
Zwischenkreisströmen id1, id2 gemäß Fig. 2c sind dann der Fig. 2b die Ver
läufe des Maschinenstroms iU und des Maschinenstroms i′U sowie die dazu
gehörigen sinusförmigen Grundschwingungen zu entnehmen.
Fig. 3a zeigt für einen Ventilstrom, also z. B. den Strom i1.1 durch das Ventil
1.1, für den I-Umrichterbetrieb die Blockform mit einer Stromhöhe von
in bezug auf einen gewünschten Ständerstromwert I1eff des
Drehstrommotors 3.
In Fig. 3b ist der entsprechende Verlauf des Stromes i1.1 durch das Ventil 1.1
beim Direktumrichterbetrieb nach der Erfindung zu sehen. Um zum gleichen
Effektivwert I1eff des Drehstrommotors 3 zu kommen, muß die Sinusfunktion,
aus der die Abschnitte zur Bildung des Zwischenkreisstromes (hier id1) ge
schnitten sind (wie angedeutet), einen Scheitelwert von √ · √ · I1eff
haben. Der Ventilstrom i1.1 steigt dann bis zu einem Maximalwert von
an.
Da der zeitliche Zündbereich der Ventile innerhalb jeder Periode des Maschinen
stromes beim I-Umrichterbetrieb und beim Direktumrichterbetrieb gleich ist,
kann ein gleitender Übergang zwischen den Betriebsarten erfolgen. Beim Über
gang vom Direktumrichterbetrieb in den I-Umrichterbetrieb muß nur der
Gleichstromanteil in den beiden Zwischenkreisströmen id1, id2 erhöht werden:
Das erfolgt durch entsprechende Ansteuerung der Netzstromrichter 11, 12.
Die Zwischenkreisströme id1, id2 werden dabei also aus zwei Anteilen zu
sammengesetzt. Ein Anteil besteht aus dem konstanten Wert des jeweiligen
Zwischenstromes id1, id2 beim I-Umrichterbetrieb. Dieser Anteil wird schritt
weise von 0% auf 100% entsprechend seinem Maximalwert, nämlich
gesteigert. Der andere Anteil besteht aus dem Anteil der Sinus
abschnitte gemäß der Funktion √ · I1eff, sin (ωt), die bei 30° maximal den
Wert von
erreichen. Von diesem Maximalwert (entsprechend 100%)
sinkt der Anteil, den die Sinusabschnitte beim
Übergang zum I-Umrichterbetrieb zu den Zwischenkreisströmen id1, id2 liefern,
gegenläufig zur Erhöhung des konstanten Stromanteils bis auf 0%. Dieser Ver
lauf ist in Fig. 4 über der Zeit mit einem schrittweisen Erhöhen des Gleich
stromanteils gezeigt. Dünn ausgezogen sind die jeweils nicht ausgenutzten
Teile der Sinusfunktion mit dargestellt. Bei kleinen Frequenzen (reiner Direkt
umrichterbetrieb) ist eine stromlose Pause aufgezeigt, die dort, aber nur dort,
notwendig ist, um einen Kurzschluß über gleichzeitig stromführende Ventile
zu vermeiden.
Da bei Verwendung einer Synchronmaschine als Drehstrommotor im I-Um
richterbetrieb zur Sicherstellung der Kommutierung die Synchronmaschine
übererregt sein muß (während dieses beim Direktumrichter nicht notwendig
ist) ist es mit dem Übergang (z. B. beim Anfahren) vom Direktumrichter
betrieb in den I-Umrichterbetrieb erforderlich, durch eine Winkelbildung
zwischen Maschinenstrom- und Maschinenspannung die Übererregung der
Maschine sicherzustellen.
Claims (2)
1. Verfahren zum Betrieb eines umrichtergespeisten Drehstrommotors, der
zwei galvanisch getrennte, elektrisch um 30° versetzte dreiphasige Stän
derwicklungen aufweist, die jeweils über einen getrennten Teilumrichter,
der jeweils aus einem Netzstromrichter, einer Zwischenkreisdrossel und
einem maschinenseitigen Stromrichter besteht, aus einem Drehstromnetz
gespeist werden, bei dem die beiden Teilumrichter als I-Umrichter mit
stromförmigen Maschinenströmen betrieben werden, wobei in den maschi
nenseitigen Stromrichtern jeweils die Stromflußdauer eines Ventils 120°
beträgt, die Ventile mehrmals pro Phase des Maschinenstroms in ihrem
blockförmigen Stromfluß abwechseln, zwei der Ventile gleichzeitig leitend
sind, die Zündmuster in den beiden maschinenseitigen Stromrichtern ent
sprechend dem Versatz der Ständerwicklungen ebenfalls um 30° versetzt
sind und bei niedrigen Drehzahlen des Drehstrommotors statt des I-Um
richterbetriebes ein Direktumrichterbetrieb vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Direktumrichterbetrieb
- - die beiden Teilumrichter Zwischenkreisströme führen, von denen in einem ersten Intervall von 30° der Zwischenkreisstrom in dem einen Zwischenkreis einen von sin (0°) auf sin (30°) ansteigenden Sinus abschnittsverlauf hat, während der Zwischenkreisstrom in dem anderen Zwischenkreis einen von sin (150°) auf sin (180°) abfallenden Sinus abschnittsverlauf hat,
- - in den darauf folgenden Intervallen von jeweils 30° die Sinusabschnitts- Funktionen für die Stromverläufe in den beiden Zwischenkreisen jeweils regelmäßig vertauscht werden und
- - der zeitliche Zündbereich der Ventile innerhalb jeder Periode des Maschinenstroms der gleiche ist wie im I-Umrichterbetrieb.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Übergang vom Direktumrichterbetrieb in den I-Umrichterbetrieb
der Gleichstromanteil in den beiden Zwischenkreisströmen schrittweise
erhöht wird, indem beim jeweiligen Zwischenkreisstrom anteilmäßig der
sinusabschnittförmige Stromverlauf gemäß dem Direktumrichterbetrieb
von zunächst 100% auf 0% abgesenkt und gegenläufig der konstante Strom
verlauf gemäß dem I-Umrichterbetrieb von zunächst 0% auf 100% erhöht
wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19934331214 DE4331214C2 (de) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | Verfahren zum Betrieb eines durch zwei Stromzwischenkreisumrichter gespeisten Drehstrommotors, der zwei galvanisch getrennte, elektrisch um 30 DEG versetzte dreiphasige Ständerwicklungen aufweist |
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DE19934331214 DE4331214C2 (de) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | Verfahren zum Betrieb eines durch zwei Stromzwischenkreisumrichter gespeisten Drehstrommotors, der zwei galvanisch getrennte, elektrisch um 30 DEG versetzte dreiphasige Ständerwicklungen aufweist |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4331214A1 true DE4331214A1 (de) | 1995-03-16 |
DE4331214C2 DE4331214C2 (de) | 1996-04-25 |
Family
ID=6497708
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934331214 Expired - Fee Related DE4331214C2 (de) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | Verfahren zum Betrieb eines durch zwei Stromzwischenkreisumrichter gespeisten Drehstrommotors, der zwei galvanisch getrennte, elektrisch um 30 DEG versetzte dreiphasige Ständerwicklungen aufweist |
Country Status (1)
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DE (1) | DE4331214C2 (de) |
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DE102005043576A1 (de) * | 2005-09-12 | 2007-03-15 | Conti Temic Microelectronic Gmbh | Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine |
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1993
- 1993-09-10 DE DE19934331214 patent/DE4331214C2/de not_active Expired - Fee Related
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Depenbrock: "Fremdgeführte Zwischenkreis- umrichter..." in DE-Z ETZ-A, Bd. 87, (1966) H. 26, S. 945-951 * |
Also Published As
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DE4331214C2 (de) | 1996-04-25 |
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