DE4439760B4

DE4439760B4 - Antrieb mit einem Direktumrichter und einem daran in offener Schaltung angeschlossenen Synchronmotor

Info

Publication number: DE4439760B4
Application number: DE4439760A
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Ing. Wokusch; Rolf Dipl.-Ing. Hagmann; Herbert Dr.-Ing. Fürsich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: DE4439760A1

Abstract

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

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 so genannte offene Schaltung bietet im Vergleich zu so genannten 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 Direktumrichters ausreicht. Demgegenüber wird, wie Seite 214 der oben genannten Literaturangabe zeigt, bei der so genannten verketteten Schaltung ein aufwändiger Transformator mit drei dreiphasigen Sekundärwicklungssystemen zur Stromversorgung des Direktumrichters mit der daran angeschlossenen Last benötigt.

Aus der WO90/06618 A1 ist ein Direktumrichter mit Synchronmotor in offener Dreieckschaltung bekannt, wobei unter anderem beschrieben wird, den Direktumrichter so anzusteuern, dass eine Sinusform für Strom und Spannung eingehalten wird.

Aus J. Stiglitz, Erlangen: "Stromrichtergespeiste Propellerantriebe für eisgehende Handelsschiffe", Schiff & Hafen / Kommandobrücke, Heft 12/1978, 30. Jahrgang, S. 1114 – 1116 ist ein gleichartiger Antrieb mit Direktumrichter und Synchronmotor in offener Dreieckschaltung bekannt.

T. Bödefeld und H. Sequenz: "Elektrische Maschinen", Springer-Verlag, Wien, 1962, S. 150 – 152, 166 – 169, 301 – 308, insb. jedoch S. 168 und 169, offenbart, dass Oberwellen mit einer durch 3 teilbaren Ordnungszahl dann bei dreiphasigen Wicklungen kompensiert werden können, wenn man in Sternschaltung zwei Stränge in Bezug auf die Berechnung der verketteten Spannung als eine einzige Spule betrachtet.

Wegen anderer Nachteile haben jedoch Direktumrichter mit offener Schaltung der Last bisher keine große wirtschaftliche Bedeutung. Während nämlich bei Direktumrichtern mit verketteter Schaltung üblicherweise durch Einstellung von angenähert trapezförmigen Stranspannungsverläufen der Transformator 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 Strangspannungsverläufe starke gleichphasige Oberwellenströme insbesondere der dritten Harmonischen auftreten, die zur Nutzleistung in der Last nichts beitragen, aber zu einer unnötigen zusätzlichen Belastung des Direktumrichters führen. Daher werden bei Direktumrichtern mit offener Schaltung die Strangspannungen üblicherweise sinusförmig gesteuert, wodurch jedoch der Ausnutzungsgrad des Transformators relativ schlecht ist. Um eine Nutzleistungsabgabe zu erreichen, die mit denen von Direktumrichtern mit verketteter Schaltung vergleichbar ist, muß daher bei Direktumrichtern mit offener Schaltung die von dem Transformator bereitzustellende Versorgungsspannung erhöht werden.

Es können aber bei Direktumrichtern mit offener Schaltung trotz sinusförmiger Steuerung der Strangspannungen Oberschwingungen auftreten, wenn die von der Last, in der Regel ein Motor, erzeugte Gegenspannung einen von der Sinusform abweichenden Verlauf aufweist. Speziell Synchronmaschinen erzeugen eine Gegenspannung, welche einen hohen Anteil der dritten Oberschwingung enthalten kann. Bei der sehr oft eingesetzten Schenkelpolmaschine kann durch entsprechende Gestaltung des Luftspaltes zwar erreicht werden, daß im Leerlauf eine sehr gute sinusförmige Gegenspannung erzeugt wird, bei Belastung entsteht jedoch durch die zur Achse des Drehfeldes verschobene Polachse eine Feldverzerrung, welche entsprechende 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 Schaltung angeschlossenen Synchronmotor Voraussetzungen zu schaffen, die unerwünschte Oberschwingungsströme in den Motorphasen vermeiden.

Gemäß der Erfindung wird dies durch einen Antrieb mit einem Direktumrichter und einem daran in offener Schaltung angeschlossenen Synchronmotor erreicht, der ein Vollpol-Erregersystem, d.h. ein Vollpolrotor mit Erregerwicklung, aufweist, dessen Erregerwicklung sich annähernd über zwei Drittel einer Polteilung erstreckt. Hierdurch entsteht ein Ergebnis ähnlich der Sternbedingung bei Direktumrichtern 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 Flußverteilung erreicht wird, mit der restliche Anteile von Oberschwingungen niedriger Ordnung vermieden werden.

Aus dem gleichen Grund sind vorzugsweise zusätzlich unbewickelte 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
1 ein Beispiel für einen Direktumrichter mit einem daran in offener Schaltung angeschlossenen Synchronmotor und
2 ein Beispiel für die Ausbildung des Vollpolläufers des Synchronmotors.
1 zeigt einen Direktumrichter 1, der über drei Umrichtereingänge 2, 3 und 4 an einem Dreiphasentransformator 5 angeschlossen ist. Der Direktumrichter 1 weist sechs Umrichterausgänge 6, 7, 8, 9, 10 und 11 auf, von denen jeder Umrichterausgang, z. B. 6, über jeweils einen von zwei antiparallelen Thyristoren 12 gebildeten Ventilzweig mit jedem der Umrichtereingänge, z. B. 2, verbunden ist. An den Umrichterausgängen 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 Umricherausgängen 6, 7 verbunden ist, ohne daß irgendwelche Umrichterausgänge 6 bis 11 galvanisch miteinander verbunden sind und dabei einen Sternpunkt bilden. Dadurch ist es möglich, daß der Transformator 5 lediglich ein einziges dreiphasiges Sekundärwicklungssystem 17 aufweist, während bei einer sogenannten verketteten Schaltung der Strangwicklungen, also einer 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 Synchronmotors mit dem Erregersystem und der Läufer des Motors mit den Strangwicklungen ausgestattet sein.
Der Direktumrichter 1 mit offener Schaltung wird im stationären Betrieb mit sinusförmiger Spannungssteuerung angesteuert, so daß an jeder Strangwicklung 13, 14, 15 unter Annahme unendlicher Pulsigkeit ein sinusförmiger Verlauf der Strangspannung erzeugt wird. Durch die sinusförmige Spannungssteuerung soll erreicht werden, daß in dem Motor 16 keine gleichphasigen Oberschwingungsströme, insbesondere der dritten Harmonischen, fließen, die den Direktumrichter 1 nur unnötig belasten 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 2 zeigt, der Synchronmotor 16 mit einem Vollpol-Erregersystem, hier also mit einem Vollpolläufer 19, und konstantem Luftspalt 6 ausgeführt, wobei sich die auf mehrere Nuten 20 aufgeteilte Erregerwicklung 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 Ordnung vermieden werden. Aus dem gleichen Grunde sind im Bereich des unbewickelten Pols zusätzliche unbewickelte Nuten 22 vorgesehen. Das Erregersystem ist mehrpolig ausgebildet und kann bei Langsamläufern bis zu 16 Pole aufweisen.

Claims

Antrieb mit einem Direktumrichter (1) und einem daran in offener Schaltung angeschlossenen Synchronmotor (16), der ein Vollpol-Erregersystem (18), d.h. einen Vollpolrotor mit Erregerwicklung, aufweist, dessen Erregerwicklung (21) sich annähernd über zwei Drittel einer Polteilung (τ_p) erstreckt.
Antrieb nach Anspruch 1 mit mehrpoliger Ausführung des Erregersystems (18).
Antrieb nach Anspruch 1 oder 2 mit ungleichmäßiger Aufteilung der Windungszahlen der Erregerwicklung (21) auf die einzelnen Nuten (20) im Sinne der Erzielung einer Flußverteilung zur Vermeidung von Oberschwingungen niedriger Ordnung.
Antrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit zusätzlichen unbewickelten Nuten (22) in den unbewickelten Polbereichen.
Antrieb nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 für Warm- und/oder Kaltwalzwerke.