DE4439760A1 - Antrieb mit einem Direktumrichter und einem daran in offener Schaltung angeschlossenen Synchronmotor - Google Patents

Description

Aus B.R. Pelly: "Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters", Wiley-Interscience, 1971, S. 213, ist ein Direktumrichter bekannt, bei dem die einzelnen Lastphasen einer dreiphasigen Last voneinander galvanisch getrennt an den Umrichterausgängen des Direktumrichters angeschlossen sind. Diese sogenannte offene Schaltung bietet im Vergleich zu sogenannten verketteten Schaltungen, bei denen einige der Umrichterausgänge galvanisch in einem Sternpunkt miteinander verbunden sind, den Vorteil, daß wegen der nicht vorhandenen unmittelbaren Verbindung der Umrichterausgänge ein einfacher Dreiphasen-Transformator zur Stromversorgung des Direktum­ richters ausreicht. Demgegenüber wird, wie Seite 214 der obengenannten Literaturangabe zeigt, bei der sogenannten ver­ ketteten Schaltung ein aufwendiger Transformator mit drei dreiphasigen Sekundärwicklungssystemen zur Stromversorgung des Direktumrichters mit der daran angeschlossenen Last benö­ tigt.

Wegen anderer Nachteile haben jedoch Direktumrichter mit of­ fener Schaltung der Last bisher keine große wirtschaftliche Bedeutung. Während nämlich bei Direktumrichtern mit verket­ teter Schaltung üblicherweise durch Einstellung von angenä­ hert trapezförmigen Strangspannungsverläufen der Transforma­ tor bestmöglich ausgelastet wird und sinusförmige Verläufe der verketteten Spannungen an der Last und damit sinusförmige Lastströme erzeugt werden, würden bei Direktumrichtern mit offener Schaltung bei Einstellung trapezförmiger Strangspan­ nungsverläufe starke gleichphasige Oberwellenströme insbeson­ dere der dritten Harmonischen auftreten, die zur Nutzleistung in der Last nichts beitragen, aber zu einer unnötigen zusätz­ lichen Belastung des Direktumrichters führen. Daher werden bei Direktumrichtern mit offener Schaltung die Strangspannun­ gen üblicherweise sinusförmig gesteuert, wodurch jedoch der Ausnutzungsgrad des Transformators relativ schlecht ist. Um eine Nutzleistungsabgabe zu erreichen, die mit denen von Di­ rektumrichtern mit verketteter Schaltung vergleichbar ist, muß daher bei Direktumrichtern mit offener Schaltung die von dem Transformator bereitzustellende Versorgungsspannung er­ höht werden.

Es können aber bei Direktumrichtern mit offener Schaltung trotz sinusförmiger Steuerung der Strangspannungen Ober­ schwingungen auftreten, wenn die von der Last, in der Regel ein Motor, erzeugte Gegenspannung einen von der Sinusform ab­ weichenden Verlauf aufweist. Speziell Synchronmaschinen er­ zeugen eine Gegenspannung, welche einen hohen Anteil der dritten Oberschwingung enthalten kann. Bei der sehr oft ein­ gesetzten Schenkelpolmaschine kann durch entsprechende Ge­ staltung des Luftspaltes zwar erreicht werden, daß im Leer­ lauf eine sehr gute sinusförmige Gegenspannung erzeugt wird, bei Belastung entsteht jedoch durch die zur Achse des Dreh­ feldes verschobene Polachse eine Feldverzerrung, welche ent­ sprechende Oberschwingungen in der erzeugten Gegenspannung zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Antrieb mit einem Direktumrichter und einem daran in offener Schal­ tung angeschlossenen Synchronmotor Voraussetzungen zu schaf­ fen, die unerwünschte Oberschwingungsströme in den Motorpha­ sen vermeiden.

Gemäß der Erfindung wird dies durch einen Antrieb mit einem Direktumrichter und einem daran in offener Schaltung ange­ schlossenen Synchronmotor erreicht, der ein Vollpol-Erreger­ system aufweist, dessen Erregerwicklung sich zumindest annä­ hernd über zwei Drittel einer Polteilung erstreckt. Hierdurch entsteht ein Ergebnis ähnlich der Sternbedingung bei Direkt­ umrichtern mit verketteter Schaltung, wobei ein Nullsystem auf magnetischem Wege weitgehend eliminiert wird. Dabei ist das Erregersystem des Synchronmotors mehrpolig ausgeführt.

Die Windungszahlen der Erregerwicklung sind vorzugsweise in der Weise auf die einzelnen Nuten aufgeteilt, daß eine Fluß­ verteilung erreicht wird, mit der restliche Anteile von Ober­ schwingungen niedriger Ordnung vermieden werden.

Aus dem gleichen Grund sind vorzugsweise zusätzlich unbewic­ kelte Nuten in den unbewickelten Polbereichen vorgesehen.

Der erfindungsgemäße Antrieb findet vorzugsweise in Warm- und Kaltwalzwerken Verwendung.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Beispiel für einen Direktumrichter mit einem dar­ an in offener Schaltung angeschlossenen Synchronmotor und

Fig. 2 ein Beispiel für die Ausbildung des Vollpolläufers des Synchronmotors.

Fig. 1 zeigt einen Direktumrichter 1, der über drei Umrichter­ eingänge 2, 3 und 4 an einem Dreiphasentransformator 5 ange­ schlossen ist. Der Direktumrichter 1 weist sechs Umrichter­ ausgänge 6, 7, 8, 9, 10 und 11 auf, von denen jeder Umrich­ terausgang, z. B. 6, über jeweils einen von zwei antiparalle­ len Thyristoren 12 gebildeten Ventilzweig mit jedem der Um­ richtereingänge, z. B. 2, verbunden ist. An den Umrichteraus­ gängen 6 bis 11 sind die Strangwicklungen 13, 14 und 15 eines Synchronmotors 16 in offener Schaltung angeschlossen, wobei jede Strangwicklung, z. B. 13, mit jeweils zwei Umrichteraus­ gängen 6, 7 verbunden ist, ohne daß irgendwelche Umrichter­ ausgänge 6 bis 11 galvanisch miteinander verbunden sind und dabei einen Sternpunkt bilden. Dadurch ist es möglich, daß der Transformator 5 lediglich ein einziges dreiphasiges Se­ kundärwicklungssystem 17 aufweist, während bei einer soge­ nannten verketteten Schaltung der Strangwicklungen, also ei­ ner Schaltung mit Sternpunkt, für die Stromversorgung jeder einzelnen Strangwicklung jeweils ein eigenes Sekundärwick­ lungssystem des Transformators erforderlich wäre. Der Läufer des Synchronmotors 16 ist mit 18 bezeichnet und wird mit Gleichstrom erregt. Alternativ kann auch der Ständer des Syn­ chronmotors mit dem Erregersystem und der Läufer des Motors mit den Strangwicklungen ausgestattet sein.

Der Direktumrichter 1 mit offener Schaltung wird im stationä­ ren Betrieb mit sinusförmiger Spannungssteuerung angesteuert, so daß an jeder Strangwicklung 13, 14, 15 unter Annahme un­ endlicher Pulsigkeit ein sinusförmiger Verlauf der Strang­ spannung erzeugt wird. Durch die sinusförmige Spannungssteue­ rung soll erreicht werden, daß in dem Motor 16 keine gleich­ phasigen Oberschwingungsströme, insbesondere der dritten Har­ monischen, fließen, die den Direktumrichter 1 nur unnötig be­ lasten würden und nichts zur Nutzleistung in dem Motor 16 beitragen würden.

Es können aber trotz der sinusförmigen Spannungssteuerung Oberschwingungen auftreten, wenn die von dem Synchronmotor 16 erzeugte Gegenspannung einen von der Sinusform abweichenden Verlauf aufweist. Aus diesem Grund ist, wie Fig. 2 zeigt, der Synchronmotor 16 mit einem Vollpol-Erregersystem, hier also mit einem Vollpolläufer 19, und konstantem Luftspalt δ ausge­ führt, wobei sich die auf mehrere Nuten 20 aufgeteilte Erre­ gerwicklung 21 über zumindest annähernd zwei Drittel einer Polteilung τ_p erstreckt. Dabei sind die Windungszahlen der Erregerwicklung 21 derart ungleichmäßig auf die einzelnen Nuten 20 aufgeteilt, daß eine Flußverteilung erreicht wird, mit der restliche Anteile von Oberschwingungen niedriger Ord­ nung vermieden werden. Aus dem gleichen Grunde sind im Be­ reich des unbewickelten Pols zusätzliche unbewickelte Nuten 22 vorgesehen. Das Erregersystem ist mehrpolig ausgebildet und kann bei Langsamläufern bis zu 16 Pole aufweisen.

Claims (5)

1. Antrieb mit einem Direktumrichter (1) und einem daran in offener Schaltung angeschlossenen Synchronmotor (16), der ein Vollpol-Erregersystem (18) aufweist, dessen Erregerwick­ lung (21) sich zumindest annähernd über zwei Drittel einer Polteilung (τ_p) erstreckt.

2. Antrieb nach Anspruch 1 mit mehrpoliger Ausführung des Erregersystems (18).

3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2 mit ungleichmäßiger Auf­ teilung der Windungszahlen der Erregerwicklung (21) auf die einzelnen Nuten (20) im Sinne der Erzielung einer Flußver­ teilung zur Vermeidung von Oberschwingungen niedriger Ord­ nung.

4. Antrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit zusätzlichen unbe­ wickelten Nuten (22) in den unbewickelten Polbereichen.

5. Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 für Warm- und/oder Kaltwalzwerke.