DE4331214C2 - Verfahren zum Betrieb eines durch zwei Stromzwischenkreisumrichter gespeisten Drehstrommotors, der zwei galvanisch getrennte, elektrisch um 30 DEG versetzte dreiphasige Ständerwicklungen aufweist - Google Patents

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.

Durch die DE 31 30 672 A1 ist ein I-Umrichter bekannt, bei dem der Zwischenkreisstrom zur Erzielung einer kreisförmigen Strombahn sinusförmig moduliert wird. Die Periode ist dabei entsprechend der dreiphasigen Ausführung mit sechs möglichen Zustandsvektoren gleich 60°. Durch den Zwischenkreisstrom wird der Betrag des Stromvektors verändert, während eine Einstellung der Winkellage durch hochfrequentes Umschalten zwischen zwei möglichen Vektorlagen erfolgt.

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. Dem gemäß 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 zueinanderliegen.

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 maschinen­ stromrichterseitigen Ventilen vorsieht, was zu einer gleichmäßigen Ausla­ stung 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 Ma­ schinenströme im hier angesprochenen Betrieb eines 6-strängigen Dreh­ strommotors bei niedrigen Drehzahlen nicht zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs an­ gegebenen Art derart auszugestalten, daß beim Betrieb des 6-strängigen Drehstrommotors im Direktumrichterbetrieb eine gleichmäßig rotierende Strombelagswelle 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 ver­ teiltem Stromfluß.

Verständlich wird die Erzeugung eines sinusförmigen Strombelags in der Ma­ schine durch das erfindungsgemäße Zusammenwirken der beiden dreiphasigen, um 30° gegeneinander versetzten Wicklungssysteme, wenn die Raumzeiger­ theorie herangezogen wird. Bei der Raumzeigertheorie wird die Wirkung eines Drehstromsystems in jedem Augenblick durch einen Stromraumzeiger beschrieben. Dieser Raumzeiger dreht sich mit der elektrischen Drehfre­ quenz der Maschine (die um die Polpaarzahl höher ist als die mechanische Drehfrequenz). Jede einzelne Wicklung erzeugt einen stehenden- Raumzeiger, dessen Betrag dem Strom proportional ist. Durch jeweilige Projektion eines gewünschten drehenden Raumzeigers auf die Wicklungsachsen erhält man die Augenblickswerte der für einen gewünschten sinusförmigen Strombelag be­ nötigten Wicklungsströme. Durch Zünden zweier Ventile des maschinensei­ tigen Stromrichters jedes Teilumrichters wird der gemäß der Erfindung verlaufende jeweilige Zwischenkreisstrom durch jeweils zwei in Reihe ge­ schaltete Wicklungen jedes Wicklungssystems geführt. Es ergeben sich zwei durch den Strom im jeweiligen Wicklungssystem hervorgerufene (Basis-)Raumzeiger, aus denen sich für jeweils einen Winkelbereich von 300 der sich drehende (Gesamt-)Raumzeiger für die Maschine zusammensetzt.

Vorteilhafterweise ist zusätzlich dadurch, daß für den Direktumrichterbe­ trieb der zeitliche Zündbereich gleich demjenigen für den I-Umrichterbe­ trieb ist, die Steuerung des maschinenseitigen Stromrichters besonders einfach aufzubauen. Auch ist ein gleitender Übergang zwischen dem Direkt­ umrichterbetrieb und dem I-Umrichterbetrieb 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 um richterbetrieb und beim I-Umrichterbetrieb,
b) die sich daraus ergebenden Maschinenströme mit
c) den dabei zugrundeliegenden Zwischenkreisströmen,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des Stromes durch eines der Ventile eines maschinenseitigen Stromrichters,
a) beim I-Umrichterbetrieb und
b) 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 i_d1 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 i_U, i_V, i_W 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 i_d2 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 i_U, i_V, i_W 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 ω t 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 i_d1, i_d2, von denen in einem ersten Intervall mit einer Zeitdauer von ω t = 30° der Zwischenkreisstrom i_d1 in dem Zwischenkreis des Teil­ umrichters 1 einen von sin (0°) auf sin (30°) ansteigenden Abschnitt eines Sinusverlaufs hat, während der Zwischenkreisstrom i_d2 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 i_d1 gemäß dem Verlauf des Sinus von sin (150°) bis sin (180°) ab, während der Strom i_d2 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 i_d1, i_d2 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 ω t als ausgezogene Blockform dargestellt.

In Fig. 2c sind im gleichen Zeitmaßstab die erfindungsgemäß verlaufenden, aus den Sinusabschnitten pro 30°-Intervall zusammengesetzten Zwischenkreis­ ströme i_d1 (ausgezogen) und i_d2 (gestrichelt) gezeigt.

In der zeitlichen Zuordnung zu den Zündbereichen gemäß Fig. 2a und den Zwischenkreisströmen i_d1, i_d2 gemäß Fig. 2c sind dann der Fig. 2b die Ver­ läufe des Maschinenstroms i_U und des Maschinenstroms i′_U sowie die dazu gehörigen sinusförmigen Grundschwingungen zu entnehmen.

Fig. 3a zeigt für einen Ventilstrom, also z. B. den Strom i_1.1 durch das Ventil 1.1, für den I-Umrichterbetrieb die Blockform mit einer Stromhöhe von

in Bezug auf einen gewünschten Ständerstromwert I_1eff des Drehstrommotors 3.

In Fig. 3b ist der entsprechende Verlauf des Stromes i_1.1 durch das Ventil 1.1 beim Direktumrichterbetrieb nach der Erfindung zu sehen. Um zum gleichen Effektivwert I_1eff des Drehstrommotors 3 zu kommen, muß die Sinusfunktion, aus der die Abschnitte zur Bildung des Zwischenkreisstromes (hier i_d1) ge­ schnitten sind, (wie angedeutet) einen Scheitelwert von

haben. Der Ventilstrom i_1.1 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 i_d1, i_d2 erhöht werden: Das erfolgt durch entsprechende Ansteuerung der Netzstromrichter 11, 12.

Die Zwischenkreisströme i_d1, i_d2 werden dabei also aus zwei Anteilen zu­ sammengesetzt. Ein Anteil besteht aus dem konstanten Wert des jeweiligen Zwischenstromes i_d1, i_d2 beim I-Umrichterbetrieb. Dieser Anteil wird schritt­ weise von 0% auf 100% entsprechend seinem Maximalwert, nämlich

gesteigert. Der andere Anteil besteht auf dem Anteil der Sinus­ abschnitte gemäß der Funktion

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 i_d1, i_d2 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 blockförmigen 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 sinusabschnittsförmige 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.