DE1438406B2

DE1438406B2 - Umrichter zur Frequenzumwandlung von Dreiphasen-Wechselströmen

Info

Publication number: DE1438406B2
Application number: DE19611438406
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 6800 Mannheim-Almenhof Depenbrock
Original assignee: Brown, Boveri & Cie. AG, 6800 Mannheim-Käfertal
Priority date: 1961-06-13
Filing date: 1961-06-13
Publication date: 1970-05-21
Also published as: DE1438406A1; GB1002357A; CH398773A; US3274482A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter zur Frequenzumwandlung von Dreiphasen-Wechselströmen, insbesondere zur Erzeugung niederfrequenter dreiphasiger Wechselströme aus netzfrequenten dreiphasigen Wechselströmen, bestehend aus Anordnungen von gesteuerten Gasentladungsventilen oder steuerbaren Halbleiterventilen, die in Verbindung mit ihren speisenden Transformatorwicklungen Teilstromrichter bilden, die zusammen in Dreieck geschaltet sind.

Für die Umwandlung eines Dreiphasen-Wechselstromes gegebener Frequenz, beispielsweise der Netzfrequenz eines Drehstromnetzes, in einen Dreiphasen-Wechselstrom anderer Frequenz hat es sich oft als vorteilhaft erwiesen, die als Umrichter bekannten Stromrichterschaltungen mit gesteuerten Gasentladungsventilen oder mit steuerbaren Halbleiterventilen zu verwenden. Diese Umrichter haben gegenüber Maschinenumformern nicht nur den Vorzug, eine Umformung mit einem verhältnismäßig guten Wirkungsgrad zu ermöglichen, sondern auch den weiteren Vorteil einer praktisch trägheitslosen Steuerbarkeit. Sie sind daher für eine frequenzelastische Stromumwandlung besonders geeignet.

Eine derartige bekannte Schaltung eines dreiphasigen Umrichters zur Frequenzumwandlung dreiphasiger Wechselströme ist aus drei Stromrichtern in einer Antiparallelschaltung aufgebaut, die gruppenweise in Stern geschaltet sind. Hierbei bilden die Zuleitungen der Primärwicklungen der Stromrichtertransformatoren, die auch zu einem einzigen Transformator mit gemeinsamer Primärwicklung zusammengefaßt sein können, die eine Seite der Drehstromübertragung, während die Anschlußleitungen an die äußeren Sternpunkte der Stromrichterschaltung die andere Seite der Drehstromübertragung darstellen.

Eine besondere Bedeutung haben derartige Stromrichteranordnungen für die läuferseitige Erregung von Asynchronmaschinen erlangt, bei der den Läuferwicklungen ein Dreiphasenstrom der Schlupffrequenz mit veränderbarer Höhe und Phasenlage zugeführt werden muß. Infolge der Speisung jeder Phase der Läuferwicklung der Asynchronmaschine über antiparallelgeschaltete Stromrichter hat man die Einstellung der Höhe und der Phasenlage der Läuferströme relativ zu der Phasenlage der Läuferspannungen weitgehend in der Hand, so daß man auf diese Weise in der Lage ist, die Drehzahl und die Wirk- und Blindleistung der Asynchronmaschine unabhängig voneinander einzustellen oder zu regeln.

Bei einer derartigen Stromrichterschaltung erweist es sich als steuertechnisch günstig, daß es keinen besonderen Aufwand erfordert, einen kreisstromfreien Betrieb zu erzielen, da Kreisströme nur innerhalb der antiparallelgeschalteten Stromrichter der einzelnen Phasen auftreten können. Diese Kreisströme lassen sich bekanntlich unterbinden, wenn jeweils eine Ventilgruppe der Antiparallelschaltung gesperrt gehalten wird. Demgegenüber hat die Sternschaltung indessen den Nachteil, daß die verketteten Spannungen, die als Ausgangs-Wechselspannungen erscheinen, dreimal größer als die von den Stromrichtern hergestellten und an den Wicklungen liegenden Phasenspannungen sind, was zur Folge hat, daß bei Bedarf relativ niedriger Verbraucherspannungen die Stromrichter ungünstig ausgenutzt sind. Andererseits ist es, beispielsweise bei der Anwendung der Stromrichter auf die Läufererregung von Asynchronmaschinen, aus Installationsgründen oder auch aus konstruktiven Gründen oft nicht möglich, die verkettete Spannung der Läuferwicklungen so hoch zu wählen, wie es für eine günstigere Ausnutzung der Entladungsventile der Stromrichter angebracht wäre. Es sind auch Umrichterschaltungen bekannt, bei denen drei Paare von antiparallelgeschalteten Einzelstromrichtern zusammen mit ihren Transformatorwicklungen in Dreieck geschaltet sind (deutsche Patentschriften 902 885, 968 994).

Die Erfindung bezweckt, ohne größeren Aufwand einen kreisstromfreien Betrieb zu erreichen.

Die Lösung erfolgt ausgehend von der eingangs beschriebenen Anordnung dadurch, daß in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform die Teilstromrichter des Umrichters aus drei Paaren dreiphasiger Teilstromrichter mit antiparallelgeschalteten Ventilen bestehen, die so gesteuert sind, daß in jedem Augenblick nur jeweils zwei Teilstromrichter zur Stromführung freigegeben werden, während die übrigen jeweils vier Teilstromrichter für eine Stromführung gesperrt sind, wobei die Entnahme der dem Verbraucher zugeführten dreiphasigen Wechselströme in an sich bekannter Weise an den Eckpunkten der Dreieckschaltung erfolgt.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform bestehen die Teilstromrichter des Umrichters aus drei dreiphasigen Teilstromrichtern mit einfachen Ventilen, die so geschaltet sind, daß in jedem Augenblick nur jeweils zwei Teilstromrichter zur Stromführung freigegeben werden, während der jeweils dritte Teilstromrichter für eine Stromführung gesperrt ist, wobei die Entnahme der dem Verbraucher zugeführten dreiphasigen Wechselströme in an sich bekannter Weise an den Eckpunkten der Dreieckschaltung erfolgt.

Ein kreisstromfreier Betrieb wird vorteilhaft allein steuertechnisch erreicht, indem in jedem Augenblick nur jeweils zwei Teilstromrichter zur Stromführung freigegeben sind.

Bei beiden Ausführungsformen des Umrichters sollen die jeweils stromführenden Teilstromrichter in der Weise veränderbar ausgesteuert werden, daß die den Eckpunkten der Dreieckschaltungen entnommenen Wechselströme angenähert sinusförmig sind.

Die Ausbildung derartiger Umrichter soll durch zwei Beispiele erläutert werden, die in den F i g. 1 bis 6 wiedergegeben sind. Darin stellen die F i g. 1 und 2 zwei Prinzipschaltbilder der durch die Teilstrom-So richter gebildeten Umrichter dar. Durch die F i g. 4 bis 6 sollen die angestrebten idealisierten Stromverläufe gezeigt und das jeweils angewendete Steuerprinzip erläutert werden.
F i g. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung die Prinzipschaltung des Umrichters, der aus drei Stromrichtergruppen besteht, von denen jede ein Paar von antiparallelgeschalteten Teilstromrichtern vorstellt. Jeder dieser Teilstromrichter ist dreiphasig ausgebildet und besitzt drei gesteuerte Ventile, die als steuerbare Halbleiterventile dargestellt sind, aber auch als Gasentladungsventile ausgebildet sein können. Je zwei antiparallelgeschalteten Ventilen ist eine gemeinsame sekundäre Transformatorwicklung zugeordnet, die je eine Phase des dreiphasigen Umrichters bildet.

Die Halbleiterventile für die eine Stromrichtung sind mit 1, 3, 5, die der anderen Stromrichtung mit 2, 4, 6 bezeichnet. Den 3 · 6 antiparallelgeschalteten Halbleiterventilen sind in der beschriebenen Weise die

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sekundären Transformatorwicklungen 7, 8, 9 züge- sinusförmigen Wechselströme iu, iv, iw als Sollwerte ordnet. Die zugehörige gemeinsame Primärwicklung 10 vorgegeben werden. Diese beispielsweise als stromist in Dreieck geschaltet. proportionale Spannungen dargestellten Sollwerte

Die in dem gezeigten Beispiel aus je drei Ventil- sind weiterhin mit /£·, iy, i£, bezeichnet,

paaren und je einer in Stern geschalteten Transforma- 5 Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, lassen sich aus je

torwicklung bestehenden Teilstromrichter sind in zwei Sollwertkurven die oben dargestellten, durch

Dreieck geschaltet. Die Eckpunkte der Dreieck- Schraffur hervorgehobenen dreieckförmigen Kurven

schaltung bilden die mit U, V, W bezeichneten An- bilden, indem man je einen der Sollwerte, z. B. i£, mit

schlußpunkte für den nicht wiedergegebenen Ver- einem negativ genommenen Sollwert der zeitlich vor-

braucher des Umrichters. Die zugehörige Primär- io hergehenden oder folgenden Phase, z. B. —i£ oder

wicklung ist mit den Phasen R, S, T des Drehstrom- i$, zusammenfaßt und den Augenblickswert des

netzes der normalen Netzfrequenz verbunden. jeweils kleinsten dieser Sollwerte zur Steuerung der

Jeder dieser Teilstromrichter ist frequenzelastisch Teilstromrichter heranzieht.

gesteuert, wobei die Frequenz der durch die Teilstrom- Zur Bildung des jeweils kleinsten Wertes dient richter gebildeten Wechselspannungen klein gegen 15 eine Einrichtung, die in F i g. 4 schematisch dargedie Netzfrequenz der an R, S, T liegenden Netz- stellt ist. Diese besteht aus sechs sogenannten Kleinstwechselspannungen sein soll. Die einzelnen Ventil- wertbildnern 13 an sich bekannter Arbeitsweise Stromkreise der Teilstromrichter sind je nach Er- (deutsche Patentschrift 1 081129), die über Dioden 14 fordernis für den Gleichrichter- oder Wechselrichter- mit je zwei den Sollwerten der Ströme, beispielsweise betrieb veränderbar teilausgesteuert. Die auf diese 20 j£ und —/£·, entsprechenden Spannungen verbunden Weise zustande kommende Kurvenform der Wechsel- sind. Die Dioden lassen nur die positiven Halbwellen spannungen der Teilstromrichter entspricht in bekann- dieser Spannungen wirksam werden, und von diesen ter Weise der Einhüllenden der einzelnen Kurven- wird jeweils diejenige mit dem kleinsten Augenblicksabschnitte der Netzwechselspannungen, die sich aus wert aussortiert und als Steuerspannung abgegeben, der Ablösung der Ventilstromkreise ergeben. Die 25 Diese hat dann die in F i g. 3 oben dargestellte Steuerung der Ventilstromkreise erfolgt in einer noch Dreieckform.

näher beschriebenen Weise durch eine Regeleinrich- Stattet man die drei Paare von Teilstromrichtern

tung, der die zu erzielenden Wechselströme als Soll- nach F i g. 1, die durch die Ventilgruppen 1, 2 und 3, 4

wert vorgegeben sind. Die von dieser Regeleinrichtung und 5, 6 gebildet sind, mit getrennten, jeweils in Stern

abgegebenen zeitlich veränderlichen Steuerimpulse 30 geschalteten Transformatorwicklungen 7, 8 und 9 aus,

stellen eine Wechselspannung der Teilstromrichter her, so daß den Ventilen 1 eine Sekundärwicklung Ta, den

die für den zu erzielenden Wechselstrom erforderlich Ventilen 2 eine Sekundärwicklung Ib zukommt, usf.,

ist. und schaltet jedes Paar von Teilstromrichtern in sich

Die sechs Teilstromrichter mit den Ventilgruppen 1 antiparallel, so stellt sich heraus, daß jeweils zwei bis 6, die drei Stromrichtergruppen für die Phasen U, 35 Teilstromrichter, sofern diese beispielsweise als Gas- V, W bilden, sind nun zur Unterbindung von Kreis- entladungs-Stromrichter erstellt werden, ein gemeinströmen so gesteuert, daß in jedem Augenblick nur sames Kathodenpotential haben. Infolgedessen kann jeweils zwei Teilstromrichter zur Stromführung frei- man die ganze Umrichteranlage aus drei Mehranodengegeben werden, während die übrigen jeweils vier Stromrichtergefäßen aufbauen. Ferner wird nur ein Teilstromrichter für eine Stromführung gesperrt sind. 40 Transformator mit drei getrennten Sekundärwicklungs-Es kann also die gesamte Umrichteranordnung in systemen benötigt. Bei Verwendung von Einanodenjedem Augenblick als eine sogenannte F-Schaltung Stromrichtergefäßen oder von steuerbaren Halbleiteraufgefaßt werden, die indessen die Besonderheit auf- ventilen ist natürlich die Speisung der antiparallelweist, daß die das V bildenden Teilstromrichter sich geschalteten Ventile aus einer gemeinsamen Transfortgesetzt ablösen. 45 formatorwicklung möglich und hier vorgesehen.

Die Bildung der an den Verbraucher abgegebenen Zur Bildung von drei niederfrequenten sinusförmigen

Niederfrequenz-Wechselströme, die mit iu, iv, iw be- Ausgangsströmen iu, iv, iw sind indessen nicht unbe-

zeichnet sein sollen, ist aus F i g. 3 zu ersehen. Die dingt sechs paarweise antiparallelgeschaltete gesteuerte

Teilstromrichter sind so veränderlich teilausgesteuert, Teilstromrichter erforderlich. Es ist möglich, für die

daß die Augenblickswerte ihrer Ströme, die mit Z₁.. ./₆ 50 Bildung der gleichen Ströme auch mit drei Teilstrom-

bezeichnet sind, in Abhängigkeit von der Zeit t den richtern auszukommen. Das Prinzipschaltbild einer

in F i g. 3 oben wiedergegebenen annähernd dreieck- derartigen Umrichteranlage ist in F i g. 2 wieder-

förmigen Verlauf haben. Ihre jeweilige Stromfiußdauer gegeben.

beträgt 120°, bezogen auf die Periodendauer der ab- Auch bei dieser Schaltung werden in jedem Augengegebenen Niederfrequenz-Wechselströme iu, iv, iw- 55 blick jeweils zwei Teilstromrichter zur Stromführung Die zugehörigen schraffierten Kurvenstücke der freigegeben, während der jeweils dritte Teilstrom-Ströme sind Teile der dünn ausgezogenen Sinus- richter für eine Stromführung gesperrt ist. Jeder Teilkurven. Bei passender Zusammensetzung dieser Ströme stromrichter ist während zwei Drittel einer Schlupfentstehen rein sinusförmige Wechselströme iu, iv, iw periode an der Stromführung beteiligt, während der im Verbraucherstromkreis. Diese Sinus-Kurvenformen 60 restlichen Zeit ist er gesperrt.

ergeben sich durch die Zusammensetzung der Ströme Die Bildung der drei sinusförmigen, an den Vergemäß braucher abgegebenen Niederfrequenz-Wechselströme iu = i'i + I4 ~ (1*2 + 's)» 'σ» 'V. iw ist aus F i g. 5 zu ersehen. Die Teilstrom- iv = i*3 + h — O4 + Q, richter sind so ausgesteuert, daß die Augenblickswerte iw = is + h ~~ 0*6 + '1)· ⁶5 ihrer Ströme, die mit I₁, f₃, z₅ bezeichnet sind, den in

F i g. 5 oben wiedergegebenen Verlauf haben. Der

Die genannte Steuerung der Teilstromrichter erfolgt Strom I₁ ist der über die drei Halbleiterventile 1 fiie-

durch eine Regelvorrichtung, der die gewünschten ßende Strom. Ihre jeweilige Stromflußdauer beträgt

240°, bezogen auf die Periodendauer der abgegebenen Niederfrequenz-Wechselströme iu, iv, iw- Die zugehörigen, durch Schraffur angedeuteten Kurvenstücke der Ströme sind Teile der dünn ausgezogenen Sinuskurven. Für den Strom /₃ ist die unter den Stromwerten /₃ liegende Fläche über 240° hinweg voll schraffiert, während zur besseren Übersicht für die Ströme Z₁ und Z₅ nur eine Teilschraffur eingezeichnet ist. Durch passende Zusammensetzung dieser Ströme entstehen die rein sinusförmigen Wechselströme iu, iv, iw im Verbraucherstromkreis. Diese Sinus-Kurvenform ergibt sich durch die Zusammensetzung der Ströme gemäß

*V *3 '5;

iw = Z₅ — ii-

Die Steuerung der Teilstromrichter erfolgt wieder durch eine Regeleinrichtung, der die gewünschten sinusförmigen Wechselströme iu, iv, iw als Sollwerte vorgegeben sind. Diese beispielsweise wieder als stromproportionale Spannungen dargestellten Sollwerte sind ifj, iy, /,·£..

Wie aus F i g. 5 zu ersehen ist, lassen sich aus je zwei Sollwertkurven die oben dargestellten, durch Schraffur hervorgehobenen Kurven bilden, indem man je einen der Sollwerte, z. B. ZJ, mit einem negativ genommenen Sollwert der zeitlich vorhergehenden Phase, z. B. -Zi-, zusammenfaßt und den Augenblickswert des jeweils größten dieser Sollwerte zur Steuerung der Teilstromrichter heranzieht.

Die Auswertung dieser Sollwerte und Bildung der Steuerspannungen für die Teilstromrichter erfolgt durch die in F i g. 6 dargestellte Diodenanordnung 14. Diese besteht aus drei Gruppen von je zwei Dioden, die auf der einen Seite mit zwei den Sollwerten der Ströme, beispielsweise if, und —i_w, entsprechenden Spannungen, auf der anderen Seite untereinander verbunden sind. Sie hat die Eigenschaft, nur positive Werte und von diesen den jeweils größten der je zwei Sollwerte als Steuerspannung durchzugeben. Auf diese Weise erhalten diese Steuerspannungen, die in F i g. 5 oben wiedergegebene, durch Schraffur hervorgehobene Kurvenform.

Die in der beschriebenen Weise gebildeten Steuer-Spannungen sind die Sollwertspannungen der Regeleinrichtung, die nach vorherigem Abzug der Istwertspannungen diejenigen Steuerspannungen an den jeweils zugehörigen Teilstromrichter abgibt, die zur Aussteuerung des Teilstromrichters erforderlich sind.

Claims

Patentansprüche: 55

1. Umrichter zur Frequenzumwandlung von Dreiphasen-Wechselströmen, insbesondere zur Erzeugung niederfrequenter dreiphasiger Wechselströme aus netzfrequenten dreiphasigen Wechselströmen, bestehend aus Anordnungen von gesteuerten Gasentladungsventilen oder steuerbaren Halbleiterventilen, die in Verbindung mit ihren speisenden Transformatorwicklungen Teilstromrichter bilden, die zusammen in Dreieck geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstromrichter des Umrichters aus drei Paaren dreiphasiger Teilstromrichter (1, 2, 7 bzw. 3, 4, 8 bzw. 5, 6, 9) mit antiparallelgeschalteten Ventilen bestehen, die so gesteuert sind, daß in jedem Augenblick nur jeweils zwei Teilstromrichter zur Stromführung freigegeben werden, während die übrigen jeweils vier Teilstromrichter für eine Stromführung gesperrt sind, wobei die Entnahme der dem Verbraucher zugeführten dreiphasigen Wechselströme in an sich bekannter Weise an den Eckpunkten der Dreieckschaltung erfolgt.

2. Umrichter zur Frequenzumwandlung von Dreiphasen-Wechselströmen, insbesondere zur Erzeugung niederfrequenter dreiphasiger Wechselströme aus netzfrequenten dreiphasigen Wechselströmen, bestehend aus Anordnungen von gesteuerten Gasentladungsventilen oder steuerbaren Halbleiterventilen, die in Verbindung mit ihren speisenden Transformatorwicklungen Teilstromrichter bilden, die zusammen in Dreieck geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstromrichter des Umrichters aus drei dreiphasigen Teilstromrichtern (1, 7 bzw. 3, 8 bzw. 5, 9) mit einfachen Ventilen bestehen, die so geschaltet sind, daß in jedem Augenblick nur jeweils zwei Teilstromrichter zur Stromführung freigegeben werden, während der jeweils dritte Teilstromrichter für eine Stromführung gesperrt ist, wobei die Entnahme der dem Verbraucher zugeführten dreiphasigen Wechselströme in an sich bekannter Weise an den Eckpunkten der Dreieckschaltung erfolgt.

3. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussteuerung der sechs Teilstromrichter mittels einer Regeleinrichtung erfolgt, deren Sollwerte der Gleichströme der Teilstromrichter aus den die sinusförmigen Wechselströme im Verbraucherstromkreis darstellenden stromproportionalen Spannungen durch Differenzbildung je zweier Spannungen zeitlich verschiedener Phase und Erfassung des jeweiligen Kleinstwertes der positiven Halbwellen dieser Spannungen hergestellt sind.

4. Umrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der positiven Halbwellen der die Sollwerte der sinusförmigen Wechselströme darstellenden Spannungen über Dioden (14) und die weitere Auswertung der positiven Halbwellen dieser Spannungen in der Weise erfolgt, daß je zwei Dioden, die auf der einen Seite mit jeweils einer Wechselspannung und mit der umgepolten Wechselspannung einer zeitlich verschiedenen Phase verbunden sind, auf der anderen Seite mit je einem sogenannten Kleinstwertbildner (13) an sich bekannter Wirkungsweise verbunden sind, dessen Ausgangsspannung als Steuerspannung des zugehörigen Teilstromrichters dient.

5. Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussteuerung der drei Teilstromrichter mittels einer Regeleinrichtung erfolgt, deren Sollwerte der Gleichströme der Teilstromrichter aus den die sinusförmigen Wechselströme im Verbraucherstromkreis darstellenden stromproportionalen Spannungen durch Differenzbildung je zweier Spannungen zeitlich verschiedener Phase und Erfassung des jeweiligen Höchstwertes der positiven Halbwellen dieser Spannungen hergestellt sind.

6. Umrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der positiven Halbwellen der die Sollwerte der sinusförmigen Wechsel-

ströme darstellenden Spannungen und die Auswertung des jeweiligen Höchstwertes der positiven Halbwelle mittels Dioden (14) in der Weise erfolgt, daß je zwei Dioden, die auf der einen Seite mit je einer Wechselspannung und mit der umgepolten

Wechselspannung einer zeitlich vorangehenden Phase auf der anderen Seite untereinander verbunden sind, wobei die Ausgangsspannung an der jeweiligen Verbindungsstelle der Dioden als Steuerspannung des zugehörigen Teilstromrichters dient.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

009 521/33