CH420365A - Wechselrichterschaltung, insbesondere zur Speisung wenigstens eines Stromrichtermotors - Google Patents

Description

      Wechselrichterschaltung,    insbesondere zur     Speisung     wenigstens eines     Stromrichtermotors       Die     Erifndungbetrifft    eine     Wechselrichterschaltung,     insbesondere zur Speisung wenigstens eines Strom  richtermotors, bei der aus     Gleichspannungsanteilen     verschiedener Polarität stark     oberwellenhaltige,        sinus-          förmige    Spannungen der gewünschten     Motorfrequenz     erzeugt werden.

   Der Zweck der Erfindung ist, den       Oberwellenanteil    in der Motorspannung oder die  durch Rückwirkung entstehenden Oberwellen im  Strom des Gleichstromnetzes oder beides herabzu  setzen.  



       Stromrichtermotoren    werden in beiden Drehrich  tungen von der Frequenz O bis zur Nennfrequenz des  Motors betrieben. Meist handelt es sich um     Asyn-          chronmotoren,    deren Drehzahl durch die Frequenz  der angelegten Spannung gesteuert wird. Es genügt  hierbei nun nicht allein die Frequenz zu ändern, son  dern man muss auch berücksichtigen, dass der Fluss  im Luftspalt der Maschine sich mit der Frequenz  ändert. Da bekanntlich mit     sinkender    Frequenz der  Fluss grösser wird, ist es erforderlich, mit sinkender  Frequenz auch die Spannung zu verkleinern, derart,  dass das Produkt aus Spannung und Periodendauer  konstant bleibt (gleiche     Spannungszeitfläche).     



  Die zur Speisung des Motors erforderliche Wech  selspannung wird durch eine     Wechselrichterschaltung     aus einem     Gleichspannungsnetz    erzeugt. Hierbei  kann die Gleichspannung auch selbst über eine Gleich  richterschaltung aus einem Wechselstromnetz fester  Frequenz erhalten werden.

       In    diesem Falle ist das  Gleichstromnetz dann der     Gleichstromzwischenkreis     einer     Umrichterschaltung.    Um dies zu erreichen, kann  man beispielsweise ein Verfahren anwenden, bei dem  die Steuerung des Wechselrichters durch Überlagerung  einer     dreieckförmigen    Spannung mit einer Frequenz,  die höher als die höchste Motorfrequenz ist, und einer    der gewünschten Motorfrequenz entsprechenden     sinus-          förmigen    Spannung erfolgt. Aus diesen beiden Kom  ponenten wird eine annähernd     sinusförmige    Span  nung an den Motor gelegt, welche zugleich mit der  gewünschten Frequenz eine gleichbleibende Span  nungszeitfläche besitzt.  



  Dieses bekannte Verfahren sei anhand der     Fig.    1  näher beschrieben: Aus dem Gleichstromnetz 4, wel  ches beispielsweise der     Gleichstromzwischenkreis    eines  Umrichters sein kann, wird über die     Wechselrichter-          anordnung    5 der Motor 6 gespeist. Das Gleichstrom  netz besitzt den Pluspol P, den Minuspol N und den  Nulleiter O. Vom Motor 6 sind alle drei Phasen ge  zeichnet; dagegen ist von der     Wechselrichteranord-          nung    nur eine einzige Phase genauer     dergestellt.    Die  übrigen Phasen sind entsprechend an die Gleich  spannungsquelle 4 anzuschliessen.

   Auch besondere  Massnahmen für die     Kommutierung    sind nicht dar  gestellt. Die     Wechselrichteranordnung    besteht aus  einer Antiparallelschaltung von gesteuerten und     un-          gesteuerten        Stromrichterventilen.    Bei den bekannten  Anordnungen ist     eine    einzige solche Wechselrichter  anordnung, welche     Wechselrichtergruppe    5 genannt  werden soll, vorhanden. Die Steuerung erfolgt nun  über ein     Mischglied    3, das die beiden aus den Geräten  1 und 2 erzeugten Spannungen vergleicht.

   Im Gerät 1  wird die beispielsweise gleichschenklig     dreieckförmige     Spannung     u,    erzeugt, im Gerät 2 die     sinusförmige     Spannung     u2,    welche die verlangte Motorfrequenz  besitzt.     u1    besitzt eine Frequenz, welche höher als die  höchste Motorfrequenz ist. Wenn nun     u2        kleiner    als       u1    ist, entsteht im Mischglied eine positive, im um  gekehrten Falle eine negative Spannung, wodurch  mittelbar die gesteuerten     Stromrichterventile    jeder  Phase gesteuert werden.

   Auf diese Weise erhält der      Motor eine     Spannung        Upho    gegenüber dem Mittelleiter  O des     Gleichstromnetzes.    Diese Spannung ist aus       rechteckförmigen    Teilen zusammengesetzt, welche in  folge der verschiedenen Breiten eine     sinusförmige     Grundwelle enthält. Diese Spannung besitzt starke  Oberwellen. Man kann nun aus dieser Spannung  noch die Spannung<B>Uh.</B> zwischen einer Phase  und     dem        Mittelpunkt    M des Motors ableiten.  Diese ist ebenfalls in     Fig.    1 dargestellt.

   Ist der Punkt  M nicht geerdet, so ergibt sich die dargestellte Span  nung; ist er aber geerdet, so wäre     UphM    =     Upho.    Die  Spannung des Punktes M gegen Erde O ist eben  falls dargestellt und mit     Umö    bezeichnet. Man erkennt,  dass diese Spannung die     Grundwelle    nicht mehr ent  hält, da diese sich ja bekanntlich im     Drehstromsystem          aufhebt,    wohl aber alle Oberwellen, welche in den  Motorwicklungen jeder Phase     in    gleicher     Richtung     und Phase vorhanden sind.  



  Diese Oberwellen wirken sich für die Wirkungs  weise des Motors, insbesondere den Wirkungsgrad  ungünstig aus. Ausserdem entstehen auch im Strom  auf der     Gleichspannungsseite    der     Stromrichter    solche  Oberwellen, welche wieder rückwärts auf die Wechsel  spannung zurückwirken, aus der die Gleichspannung       gewonnen    worden ist. Diese Oberwellen bedeuten eine  Beunruhigung des speisenden Drehstromnetzes.  



  Es stellt sich nun die Aufgabe, diese Oberwellen  anteile möglichst weitgehend zu verringern um die  erwähnten     Nachteile    zu vermeiden.  



  Dies geschieht erfindungsgemäss dadurch, dass je  Phase mehrere     Wechseh-ichtergruppen    in beliebiger  Schaltung verwendet werden, die zu verschiedenen  Zeiten und derart gesteuert werden, dass die Ober  wellen sich     mindestens    zum Teil gegenseitig aufheben.  



       In    den Figuren 1 bis 7     sind    Beispiele von Aus  führungsformen des     Erfindungsgegenstandes    mit zu  gehörigen     Diagrammen    zur Erläuterung der Wir  kungsweise     dargestellt.     



  Der Grundgedanke ist     in    der     Fig.    2 dargestellt.       Als    Beispiel sind     zwei        Wechselrichtergruppen    5 par  allel angeordnet: Die     Wechselrichtergruppen    sind ver  einfacht durch ein Kastensymbol dargestellt. Jeder  Kasten besitzt die Schaltung, wie sie durch die Po  sition 5     -in    der     Fig.    1 genauer gezeigt ist. Für jede  Phase sind nun zwei     Wechselrichtergruppen    5 par  allel geschaltet. Sie werden beide aus dem Gleich  stromnetz 4 gespeist.

   Gesteuert werden sie beide wie  der durch die Mischglieder 3.     Wechselstromseitig     sind beide     Wechselrichtergruppen    5 über eine Dros  selspule 7     zusammengeschaltet,    die ähnlich wie eine  Saugdrosselspule in     Gleichrichteranordnungen    wirkt.  Die Mitte dieser Drosselspule ist mit der einen Phase  des Motors 6 verbunden.

   Jede     Wechselrichtergruppe     besitzt nun je ein     Mischglied    3,1 und 3,2, welche wie  in der     Fig.    1 das Mischglied 3 durch die Geräte 1  und 2 gespeist werden.     Im    Gerät 2 wird die     sinus-          förmige    Spannung u2 erzeugt, die wie in der     Fig.    1  der gewünschten Motorfrequenz entspricht. Diese  Spannung ist in beiden     Geräten    gleich und besitzt  auch die gleiche Phase. Dagegen ist die Phase der         dreieckförmigen    Spannung     u1    bei beiden verschieden.

    Die Frequenz und die Höhe sind dagegen gleich.     Im     Beispiel ist eine Phasenverschiebung von<B>180'</B> ge  wählt. Schon hierdurch kann man die     Oberwelligkeit     wesentlich herabsetzen. Dies ist in     Fig.    3 dargestellt.  In den beiden oberen Diagrammen     (Fig.    3a und 3b)  sind die in jeder     einzelnen        Wechselrichtergruppe    ent  stehenden Spannungen     dargestellt.    Sie haben die  gleiche     Form    wie in der     Fig.    1 nur sind sie um<B>1801</B>  verschoben. Sie sind mit     Upho    (O) und<B>Up"()</B> (180) be  zeichnet.

   Durch die Überlagerung beider entsteht im  Motor die Spannung     Upho    zwischen der betreffenden  Phase und dem Mittelleiter O der Gleichstromquelle.  Sie ist in der     Fig.    3c dargestellt. Man erkennt, dass  dadurch, dass die positiven Teile und die negativen       Teile        abwechseln,    die     Oberwelligkeit    bereits stark  zurückgegangen ist.  



  Dementsprechend wird auch der     Oberwellenanteil     in den Spannungen<B>Uh.</B> und     UMo    herabgesetzt. Dies  ist in den Diagrammen nicht gezeigt.  



  Man     kann    nun noch weiter gehen und vier ver  schiedene gesteuerte     Wechselrichtergruppen    je Phase       zusammenschalten.    Dies ist     in        Fig.    4 dargestellt. Die  Phasenverschiebung der     dreieckförmigen    Spannung       u1    beträgt dann jeweils<B>901.</B> Diese werden in den  Mischgliedern 3,1 bis 3,4 mit der     sinusförmigen    Span  nung     u2    gemischt. Daraus entstehen nun die Span  nungen gegen Erde     Upho    (O),     Upho    (90),     Upho    (180)  und     Upho    (270).

   Auf der Motorseite werden diese  Spannungen über die Drosselspulen 7,1 und 7,2  paarweise und diese wiederum über die Drosselspule  7;3 zusammengeschaltet. Die sich daraus     ergebenden     Spannungen     Upho    für diese Fälle sind in der     Fig.    3d  dargestellt und mit     2..,        Upho    =     Upho    (O)     -E-   <B>.......</B>  bezeichnet.

   Darunter sind in der     Fig.    3e für diese       Fälle    noch die Phasenspannungen am Motor, also  zwischen Phase und dem Sternpunkt M des Motors       dargestellt.      Während in der     Fig.    3c die Grundwellen der       dreieckförmigen    Spannung aus der     Spannung    aus der  Spannung     Upho    verschwunden sind und den wesent  lichen Anteil der Welligkeit die zweite Oberwelle bil  det, ist in der     Fig.    3d auch die zweite Oberwelle kom  pensiert und nur noch die vierte Oberwelle vorhanden.

    Diese Wirkung ergibt sich einfach daraus, dass durch  die Phasenverschiebung von 180  für die     dreieck-          förmige    Spannung die Grundwelle in Phasenopposi  tion liegt, also beim Zusammenschalten der Spannun  gen     Upho    (O) u-     UphO    (180) einerseits u.     Upho    (90) u.       Upho    (270) andererseits sich ausgleichen. Durch die Zu  sammenschaltung der hieraus     resultierenden    Span  nung wird die zweite Oberwelle kompensiert, da diese  bereits bei     einer    Phasenverschiebung von 90  der       dreieckförmigen    Spannung     in    Phasenopposition liegt.

    Auf ähnliche Weise verschwindet die dritte Oberwelle.  Man kann die     Kompensierung    noch weiter führen und  durch Phasenverschiebungen von nur 45' dann auch  die vierte bis siebente Oberwelle beseitigen usw. Diese  Anordnungen sind in den Figuren nicht mehr darge  stellt.           Fig.    5 zeigt noch eine Anordnung, bei der die Zu  sammenschaltung auf der Motorseite durch eine an  dere Schaltung der Drosselspulen erreicht wird. Dies  ist zweckmässig, wenn man die     Wechselrichtergrup-          pen    5 in Reihe schaltet, was bei höheren Betriebs  spannungen von Vorteil sein kann.     In    diesem Falle  sind zwei Gleichstromkreise 4,1 und 4,2 vorgesehen  und die Wicklungen der Drosselspule 7 getrennt auf  einen Kern gewickelt.

   Zur Trennung der Kreise sind  auch die     Motorwicklungen    geteilt     ausgeführt    (6,1 und  6,2). Die Wirkung ist praktisch die gleiche wie bei der  Parallelschaltung, wenn die einzelnen Wechselrichter  gruppen in der angegebenen Weise gesteuert werden.  Ausserdem ist auch die Drosselspule 8 vorgesehen,  die die Oberwellen im Gleichstromkreis ausgleichen  kann. Sie kuppelt die beiden Gleichstromkreise in  duktiv miteinander, wobei sich verschiedene Ober  wellen in den beiden     Gleichstromkreisen    über diese  als Ausgleichstransformator wirkende Drosselspule  ausgleichen.  



  Erwähnt sei noch eine weitere     Möglichkeit    die  Oberwellen zu verringern. Man kann nämlich die  Ströme aller Phasen des Motors über eine     gemeiname     Drosselspule 9, wie in     Fig.    6 dargestellt, miteinander  induktiv koppeln. Hierdurch wird erreicht, dass die  gleichphasigen     Anteile    einen hohen induktiven Wider  stand vorfinden, während die Grundwelle, auf die es  ankommt, dadurch, dass die     Amperewindungen    sich  dann aufheben - wie bei jeder Zusammenschaltung  von     Drehstromsystemen    - keinen Widerstand vor  findet.

   Die     Grundwelle    kann sich dann also wie ge  wünscht richtig ausbilden, während die     gleichpha-          sigen    Oberwellen     einen    hohen Widerstand vorfinden  und dadurch im Strom verringert werden. Im Beispiel  der     Fig.    6 sind die     Wechselrichtergruppen    der ein  zelnen Phase in Reihe geschaltet. Die gleiche Anord  nung ist aber auch für     Parallelschaltung    von     Wech-          selrichtergruppen    möglich.  



       In    einfacher Weise lassen sich mit der beschrie  benen Methode auch die Oberwellen bei Verwen  dung mehrerer paralleler Motoren, wie es beispiels  weise bei Lokomotiven vorkommt, verringern. Wie       Fig.    7 zeigt, sind die Motoren 6,1, 6,2 und 6,3 je Pha  se durch nur eine     Wechselrichtergruppe    5,1 bis 5,3  aus dem Gleichstromnetz 4 gespeist. Die Wechsel  richterventile der gleichen Phase verschiedener Mo  toren werden aber durch phasenverschobene     dreieck-          förmige    Spannungen gesteuert, so dass sich zwar nicht  bei den     einzelnen    Motoren, wohl aber im speisenden  Gleichstromnetz die Oberwellen im Strom stark ver  ringern können.  



  Ein weiteres Beispiel wird     in    der     Fig.    8 gezeigt.  Dort ist in einfacher Weise eine     Wechselrichterschal-          tung    dargestellt, welche ebenfalls den Erfindungsge  danken benutzt und aus einem Gleichstromnetz eine  konstante     Wechselrichterspannung    erzeugt (9). Dies  geschieht auf die Weise, dass vier Wechselrichter  gruppen vorgesehen sind (5), welche aus dem Gleich  stromnetz 4 gespeist werden. Diese . Wechselrichter  gruppen werden paarweise an Transformatoren (8)    geführt, deren     Sekundärwicklungen    in Reihe ge  schaltet sind und dem     Wechselstromnetz    (9)     zugeführt     werden.

   Diese Schaltung gilt also nicht nur für die  Speisung von     Wechselstrommotoren,    obwohl natür  lich an diese Sammelschiene auch Motoren ange  schlossen werden können, sondern dient in erster  Linie dazu,     beim    Ausfall des Ortsnetzes aus einem  Gleichstromnetz eine     Wechselstromspeisung    zu er  möglichen. Damit diese     möglichst        oberwellenfrei    ist,  wird die Steuerung in der angegebenen Weise an den       Wechselrichtergruppen    5 vorgenommen.

   Es sind in  diesem Falle also vier, auf der Gleichstromseite par  allel liegende     Wechselrichtergruppen    vorgesehen,  welche dann eine gewisse     Oberwellenfreiheit    gewähr  leisten können. Hier können     natürlich    zusätzlich noch  Filter vorgesehen werden, um auch die letzten Ober  wellenreste noch zu beseitigen. Diese sind nicht     in    der  Figur dargestellt.  



  Mit dieser Einrichtung     können    sehr kleine Dreh  zahlen nicht erreicht werden, da dann die Transfor  matoren nicht wirken. Man kann zu diesem Zwecke  aber mindestens eine Gruppe unmittelbar     ohne    eigenen  Transformator mit Sekundärwicklungen der Trans  formatoren für die anderen Gruppen in Reihe schal  ten (nicht gezeichnet). Dann wirken- bei niedrigen  Drehzahlen nur die ohne Transformatoren ange  schlossenen Gruppen.  



  Die Anordnung nach der Erfindung erfüllt den  Zweck, die Oberwellen     in    der Spannung des Motors  und dem Strom des speisenden Gleichstromnetzes  möglichst weitgehend zu verringern und erhöht da  mit die Leistungsfähigkeit von über Wechselrichter       gespeisen    Motoren.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Wechselrichterschaltung, insbesondere zur Spei sung wenigstens eines Stromrichtermotors, bei der aus Gleichspannungsanteilen verschiedener Polarität stark oberwellenhaltige, sinusförmige, der gewünschten Fre quenz entsprechende Spannungen erzeugt werden, da durch gekennzeichnet, dass zur Verringerung der Oberwelligkeit je Phase mehrere Wechselrichtergrup- pen in beliebiger Schaltung verwendet werden, die zu verschiedenen Zeiten und derart gesteuert werden, dass die Oberwellen sich mindestens zum Teil gegen seitig aufheben.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Wechselrichteranordnung nach Patentanspruch, bei der zur Steuerung des Wechselrichters durch Überlagerung einer dreieckförmigen Spannung höhe rer Frequenz als die höchste Motorfrequenz und einer sinusförmigen Spannung der gewünschten Motorfre quenz eine oberwellenhaltige sinusförmige Spannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass je Phase mehrere Wechselrichtergruppen vorgesehen sind, wel che mit dreieckförmigen Spannungen verschiedener Phasenlage gesteuert werden,

   während die Sinusspan- nung bei jeder Gruppe derselben Phase die gleiche Phasenlage besitzt. 2. Wechselrichteranordnung nach Unteranspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechsekichter- gruppen gleichstromseitig parallel geschaltet sind und dass wechselstromseitig mindestens für je zwei Wech- selrichtergruppen je Phase eine Drosselspule vorge sehen ist, die die Wechselrichtergruppen verbindet und an deren Mitte die Motorwicklung angeschlossen ist.

   3. Wechselrichteranordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichter- gruppen jeder Phase in Reihe geschaltet sind und dass wechselstromseitig Drosselspulen mit je einer Wicklung für je zwei Stromrichtergruppen mit gemein samem Eisenkern vorgesehen sind. 4. Wechselrichteranordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichter- gruppen verschiedener Phasen über Drosselspulen miteinander gekoppelt sind.

   5. Wechselrichteranordnung nach Unteranspruch 1, mit mehreren parallel laufenden Motoren, dadurch gekennzeichnet, dass die zu den Motoren gehörenden Gleichrichtergruppen mit dreieckförmigen Spannun gen verschiedener Phasenlage je Motor gespeist wer den.

   6. Wechselrichteranordnung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei Wechsel richtergruppen mit je einer Primärwicklung von Transformatoren verbunden sind, deren Sekundär- Wicklungen in Reibe geschaltet sind und an eine Wech- selstromsammelschiene geführt sind.