DE1638646C - Umrichterschaltung, bestehend aus Umrichtereinheiten mit Gleich- und Wechselrichter-Schaltungen - Google Patents

Description

Zur Umformung der Leistung eines Wechsel- oder Drehstromnetzes mit veränderlicher Frequenz in einen Wechsel- oder Drehstrom mit gegebener Frequenz ist es bekannt, Umrichterschaltungen anzuwenden, die aus Umrichtereinheiten mit mindestens einer wechselstromseitig gespeisten Gleichrichterbrückenschaltung und einer dieser nachgeschalteten Wechselrichterschaltung bestehen.

Die Aufgabe, Leistung von einem Netz mit veränderlicher Frequenz und Spannung in ein Netz mit feststehender Frequenz einzuspeisen, besteht beispielsweise bei geregelten Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer.

Den Schleifringen einer solchen Asynchronmaschine wird eine Spannung entnommen, deren Frequenz abhängig von der Drehzahl der Maschine ist. Die Höhe der Spannung und die Größe des fließenden Stromes hängt in erster Linie ab von der Drehzahl und dem Drehmoment der Asynchronmaschine mit Schleifringläufer. Wenn man diese im Läufer der Asynchronmaschine umgesetzte Leistung nicht in Widerständen vernichten, sondern als Nutzleistung in das Netz zurückspeisen will, so ist dazu eine Umrichterschaltung erforderlich, die die Spannungs-, Strom- und Frequenzwerte des Läuferkreises an die entsprechenden Werte des Netzes anpaßt. Eine derartige Umrichterschaltung besteht beispielsweise aus hintereinandergeschalteten Gleich- und Wechselrichterschaltungen.

Für die Dimensionierung dieser Schaltungen muß man — um Überlastungen der Gleich- oder Wechselrichterschaitungen zu vermeiden — die verwendeten Bauelemente so auslegen, daß sie den bei irgendeinem Betriebszustand auftretenden größten Strom und die bei einem Betriebszustand irgendwann auftretende größte Spannung aushalten können. Wird nun mit einem solchen Asynchronmotor beispielsweise ein Lüfter oder ein anderes Aggregat mit zunehmendem Drehmoment bei wachsender Drehzahl angetrieben, so ergibt sich bei geringer Drehzahl an den Schleifringen des Asynchronmotors eine hohe Spannung bei vergleichsweise kleinem Strom, während in der Nähe der synchronen Drehzahl eine geringe Spannung mit vergleichsweise sehr großem Strom dem Läufer zu entnehmen ist. Diese Eigenschaft des Läuferkreises hat zur Folge, daß die Bauelemente der Gleich- und Wechselrichterschaltungen in einer Umrichterschaltung wesentlich größer dimensioniert werden müssen, als es der in irgendeinem Betriebszustand umzusetzenden Leistung entspricht. Die zwangsweise Auslegung des Umrichters für maximalen Spannungs- und Stromwert hat bei niedriger Spannung im oberen Drehzahlbereich der Asynchronmaschine einen hohen Blindleistungsbedarf zur Folge.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Umrichterschaltung, bestehend aus Umrichtereinheiten mit mindestens einer wechselstromseitig gespeisten Gleichrichterbrückenschaltung und einer dieser nachgeschalteten Wechselrichterschaltung, deren Wechselsiromanschliissc an die Wicklung eines Stromrichtcrtransformators angeschlossen sind, für Wcchsel- oder Drehslromsysteme, bei denen Betriebszuständc mit hoher Spannung und niedrigem Strom und mit hohem Strom und niedriger Spannung möglich sind. Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufwand für die Umrichturschaltung zu vermindern und die Blindleistung im oberen Drehzahlbereich herabzusetzen.

. Diese Aufgabe wird bei einer Umrichterschaltung der vorstehend genannten Art erfindungsgeiniiß dadurch gelöst, daß für ein in der Frequenz yeriinder-Hches Wechsel- oder Drehstromsystem mindestens zwei Umrichtereinheiten, bestehend aus gleichstromseitig in Reihe geschalteten Gleichrichterbrückenschaltungen mit Wechselrichterschaltungen, in Ringschaltung vorgesehen sind, daß die Anschlüsse des Wechsel- oder Drehstromsystems an die Wechsel-

oder Drehstrom-Anschlußpunkte mindestens einer Gleichrichterbrückenschaltung unmittelbar und an mindestens eine weitere über Schalter angeschlossen sind, während die Wechselstromanschlüsse der Wechselrichterschaltungen voneinander getrennt mit

Wicklungen eines oder mehrerer Stromrichtertransformatoren verbunden sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit zwei Gleichrichterbrückenschaltungen und zwei diesen nachgeschalteten Wechselrichterschaltungen in Fig. 1

ao dargestellt. An einem Drehstromnetz 1 ist über einen Schalter 2 eine Asynchronmaschine 3 mit einem Schleifringläufer angeschlossen. Die Schleifringe sind mit einer Anlaßschaltung 4 verbunden. Sie sind außerdem mit den Anschlußpunkten 5 einer aus den

»5 Gleichrichterventilen 6 und 7 bestehenden Gleichrichterbrückenschaltung verbunden. Diese Gleichrichterbrückenschaltung ist gleichstromseitig in Reihe mit einer Drossel 14a zur Gleichstromglättung und einer im Ausführungsbeispiel ebenfalls in Brückenschaltung angeordneten Wechselrichterschaltung aus steuerbaren Stromrichterventilen 8 und 9 geschaltet. Die Wechselrichterschaltung aus den Stromrichter-Ventilen 8 und 9 liegt wiederum in Reihe zu einer weiteren Gleichstrombrückenschaltung, bestehend aus den Gleichrichterventilen 10 und 11. Daran schließt sich eine zweite Wechselrichterschaltunu, bestehend aus den Stromrichterventilen 12 und 13, sowie eine zweite Drossel 14 zur Gleichstromglättung an. Diese Drossel 14 ist mit dem zweiten Anschluß der zuerst beschriebenen Gleichrichterbrückenschaltung aus den Gleichrichterventilen 6 und 7 verbunden, so daß in einer Ringschaltung alle vorhandenen Gleichrichterbrückenschaltungen abwechselnd mit Wechselrichterschaltungen zusammengefaßt sind.

Während die Anschlußpunkte 5 der Gleichrichterbrückenschaltung mit den Gleichrichterventilen 6 und 7 unmittelbar mit den Schleifringen der Asynchronmaschine 3 verbunden sind, sind die Anschlußpunkte 23 der Gleichrichterbrückenschaltung mit den Gleichrichterventilen 10 und 11 über einen Schalter 15 mit dem Läuferkreis der Asynchronmaschine 3 verbunden.

Wenn der Schalter 15 geöffnet ist, sind also beide Wechselrichterschaltungen, bestehend aus den Stromrichterventilen 8, 9 und 12, 13, zueinander in Reihe geschaltet. Die Gleichrichterbrückenschaltung, bestehend aus den Gleichrichterventilen 10 und 11, ist dabei funktionslos. Die Wechsclstromanschlüsse 16 und 17 der Wechselrichterschaltungen mit den Stromrichtcrventilen 8, 9 und 12, 13 sind an je eine Sekundärwicklung 18 bzw. 19 eines Stromrichtertransformators 20 geschaltet, dessen Primärwicklung 21 über einen Schalter 22 an das Drehstromnetz 1 angeschlossen ist.

Die in Fig. 1 nicht dargestellte Regelungs- und Steuerungseinrichtung für die Stromrichterventile der Wechselrichterschaltungcn veranlaßt, daß die für die jeweils gewünschte Drehzahl der Asynchron-

maschine 3 im La'uferkreis umzusetzende Leistung in das Drehstromnetz 1 zurückgespeist wird..

Zur Erläuterung der Wirkungsweise ist in F i g, 2 sin Diagramm der Spannungen und Ströme der Schaltung nach F i g. 1 dargestellt. In diesem Diagramm sind mit dünnen Linien diejenigen Werte eingetragen, die sich bei Verwendung nur einer Umrichtereinheit ergeben würden, während mit stärkeren Linien die Betriebskenngrößen eingetragen sind, die sich mit Umschaltung durch den Schalter 15 bei der Schaltung nach Fig. 1 ergeben.

In F i g. 2 ist mit A der Verlauf der Läuferspannung der Asynchronmaschine 3 bezeichnet. B stellt die Kurve für die Gleichspannung an einer Wechselrichtarschaltung mit den Stromrichterventilen 8, 9 oder 12, 13 dar, während mit C der LäuLretrom der Asynchronmaschine 3 und mit D der Gleichstrom einer Wechselrichterschaltung bezeichnet ist. Die gestrichelten senkrechten Geraden El und El begrenzen den Drehzahlstellbereich, der bei dem Ausfüh- so rungsbeispiel nach Fig. 1 von der Umrichterschaltung gesteuert werden soll. Nach dem Anlassen der Asynchronmaschine 3 durch nicht dargestellte Widerstände in der Anlaßschaltung 4 werden diese Widerstände abgeschaltet, und an jeder Wechselrichterschaltung liegt die durch den Punkt Bl in F i g. 2 gekennzeichnete Spannung. Diese Spannung ist halb so groß wie die Spannung am Punkt A 1, da beide Wechselrichterschaltungen in Reihe geschaltet sind. Bei wachsender Drehzahl der Asynchronmaschine 3 nimmt die Spannung B ab, bis bei Erreichen des schraffierten Bereiches z. B. im Punkt 52 der Schalter 15 geschlossen wird. Dadurch sind auch die Anschlußpunkte 23 unmittelbar mit dem Läuferkreis der Asynchronmaschine 3 verbunden, und die Gleichrichterbrückenschaltung mit den Gleichrichtervcntilen 10 und 11 wird ebenfalls wirksam.

Die durch Schließen des Schalters 15 sich ergebende Schaltung ist in anderer und übersichtlicherer Form noch einmal in Fig. 3 dargestellt. Die Schaltung nach F i g. 3 ergibt sich also aus der Schaltung nach Fig. 1 einfach durch Umzeichnen, wenn man den Schalter 15 als geschlossen annimmt. Die Gleich- und Stromrichterventile in F i g. 3 sind wie die übrigen Teile mit den gleichen Ziffern wie in Fig. 1 versehen. Wie Fig. 3 ohne weiteres erkennen läßt, hat also das Schließen des Schalters 15 in F i g. 1 die Folge, daß aus der Reihenschaltung det Wechselrichterschaltungen mit den Stromrichterventilen 8, 9 und 12, 13 eine Parallelschaltung wird. Durch diese Parallelschaltung wird der Strom in den Wechselrichterbrücken nach Kurve D in Fig. 2 halbiert, während an den Wechselrichterbrücken die volle Spannung entsprechend Kurve A ansteht. Der in F i g. 2 schraffiert dargestellte Bereich zeigt, daß bei den angenommenen Daten ein gewisser Drehzahlspielraum für die Umschaltung zur Verfugung steht, ohne daß die angegebenen Maximalwerte für Gleichspannung und Gleichstrom einer Wechselrichterschaltung überschritten werden. Ein besonderer Vorteil der angegebenen Umrichterschaltung liegt darin, daß die Umschaltung von Reihen- in Parallelschaltung der Umrichtereinheiten nur durch Schließen eines Schalters vorgenommen wird. Der Übergang von der Reihenschaltung in die Parallelschaltung erfordert also keine Umschaltung, bei der ein Kontakt geschlossen und gleichzeitig ein anderer geöffnet werden muß. Damit ist sichergestellt, daß die Umschaltung ohne Stromunterbrechung und ohne vorübergehenden Kurzschluß durchgeführt wird, so daß Schaltüberspannungen und Stromstöße an den Gleich- und Wechselrichterschaltungen nicht zu Überlastungen führen können.

In F i g. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung unter Verwendung von drei Gleichstrombrückenschaltungen und drei Wechselrichterschaltungen dargestellt. In dieser Schaltung sind gleiche Teile wie in den Fi g. 1 und 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zusätzlich ist in den Ring eine Gleichstrombrückenschaltung mit den Gleichrichterventilen 24 und 25 und eine Wechselrichterschaltung mit den Stromrichterventilen 26 und 27 sowie Anschlußpunkten 28 zur Verbindung der Drehstromanschlüsse der aus den Stromrichterventilen 26 und 27 aufgebauten Wechselrichterschaltung mit der Sekundärwicklung 29 des Stromrichtertransformators 2iO eingefügt. Eine weitere Drossel SO gewährleistet auch für diese Umrichtereinheit eine Glättung des Gleichstromes. Die Wechselstromanschlüsse 31 der Gleichrichterbrückenschaltung mit den Gleichrichterventilen 24 und 25 sind über einen Schalter 32 mit den Anschlußpunkten 5 der Gleichrichterbrückenschaltung mit den Gleichrichterventilen 6 und 7 verbunden.

Wenn bei dieser Schaltung zunächst der Schalter 32 geschlossen wird, liegt die Wechselrichterschaltung mit den Stromrichterventilen 26 und 27 parallel zu der Reihenschaltung der Wechselrichterschaltungen mit den Stromrichtervemilen 8, 9 und 12, 13. Wenn auch der Schalter 15 geschlossen ist, sind alle drei Wechselrichterschaltungen einander parallel geschaltet, während eine Reihenschaltung aller drei Wechselrichterschaltungen besteht, wenn sowohl der Schalter 15 als auch der Schalter 32 geöffnet ist. Bei der Umschaltung ist es also nicht erforderlich, daß die Schalter 15 und 32 gleichzeitig ein- bzw. ausgeschaltet werden.

In entsprechender Weise läßt sich die angegebene Schaltung auch auf vier oder mehr Umrichtereinheiten erweitern.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Umrichteirschaltung, bestehend aus Umrichtereinheiten mit mindestens einer wechselstromseitig gespeisten Gleichrichterbrückenschaltung und einer dieser nachgeschalteten Wechselrichterschaltung, deren Wechselstromanschlüsse an die Wicklung eines Stromrichtertransformators angeschlossen sind, für Wechsel- oder Drehstromsysteme, bei denen Betriebszustände mit hoher Spannung und niedrigem Strom und mit hohem Strom und niedriger Spannung möglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß für ein in der Frequenz veränderliches Wechsel- oder Drehstromsystem mindestens zwei Umrichtereinheiten (6 bis 13), bestehend aus gleichstromseitig in Reihe geschalteten Gleichrichterbrückenschaltungen (6, 7 und 10, 11) mit Wcchselrichterschaltungen (8, 9 und 12, 13), in Ringschaltung vorgesehen sind, daß die Anschlüsse des Wechsel- oder Drehstromsystems an die Wechsel- oder Drehstrom-Anschlußpunkte (5) mindestens einer Gleichrichterbrückenschaltung (6, 7) unmittelbar und an mindestens eine weitere (10, II) über

   Schalter (15) angeschlossen sind, während die Wechselstromanschlüsse (16, 17) der Wechselrichterschaltungen voneinander getrennt mit Wicklungen eines oder mehrerer Stromrichtertransformatoren verbunden sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen