DE2021217C3 - Umrichter zur Speisung eines Netzes mit Leistung variabler Spannung und Frequenz aus einem Netz konstanter Frequenz - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter zur Speisung eines Netzes mit Leistung variabler Spannung und Frequenz aus einem Netz konstanter Frequenz, bestehend aus einem mit durch Phasenanschnitt steuerbaren Ventilen versehenen, im Betrieb als Gleichrichter arbeitenden Eingangskreis, einem nachgeschalteten Wechselrichter und einer dem Wechselrichter nachgeschalteten Synchronmaschine. Ein derartiger Umrichter ist bereits bekannt (DT-PS 9 66 722).

Die Einführung von Thyristor-Halbleiterelementen hoher Leistung hat das Interesse an Wechselstromantrieben mit veränderlicher Geschwindigkeit und an Leistungswandlung neu belebt Für beinahe alle industriellen und Transportzwecke beträgt die am !leichtesten greifbare Netzfrequenz 50 oder 60 Hz, und zwar bei einphasigem oder dreiphasigem Wechselstrom. Die Funktion von Leistungswandlern ist die direkte Verwendung dieser Netzleistung durch Schaffung einer Ausgangsleistung mit variabler Frequenz für Wechselstromantriebe mit variabler Geschwindigkeit.

Die einzige praktische Möglichkeit hierfür besteht gegenwärtig darin, daß man die Leistung mit der Frequenz von 50 oder 60 Hz gleichrichtet und darauf die resultierende Gleichspannung umformt. Während Thyristoren leicht durch Signale niedriger Leistung eingeschaltet werden können, besteht das Problem, daß sie eine verhältnismäßig große Quelle mit gespeicherter Energie zur Erzeugung der Ausschaltleistung benötigen.

Wenn die gespeicherte Energie aus einer Anzahl von Kondensatoren stammt, so bezeichnet man den Umformer als »zwangsweise kommutiert«. Diese Bezeichnung deutet an, daß das Abschalten der Thyristoren ein Ergebnis der Entladung der Kondensatoren ist, wodurch beträchtliche Einschwingvorgänge bei Spannung und Strom auftreten.

Die »synchrone Kommutation« des Umformers verhindert einen derart plötzlichen Abschaltvorgang. Diese Bezeichnung, die gelegentlich auch Netzkommutationen oder natürliche Kommutation genannt wird, bezieht sich auf die Betriebsweise, bei der gespeicherte Energie zum Abschalten der Thyristoren von einer Sinusquelle auf der Wechselstromseite des Umformers geliefert wird. Ein Synchronkondensator (z. B. ein übererregter Synchrongenerator) ist eine derartige Quelle.

Die synchrone Ke.Timutation ist in Verbindung mit der Leistungsübertragung durch Hochspannungs-Gleichstromleitungen entwickelt worden. Unter Benutzung von QuecksiJberdampf-Stromrichtern in dem Leistungswandler ist die Leistungsübertragung über Hochspannungs-Gleichstromleitungen nunmehr ein gut bewährtes Prinzip zur Übertragung großer Leistungsmengen über weite Entfernungen. Experimentelle Übertragungsleitungen und Leistungswandler mit einer möglichen Lieferleistung bis zu 500 W befinden sich in der Planung.

Die Entwicklung von Thyristoren, die große Leistungsmengen bei hohen Spannungen verarbeiten können, haben viele dieser Fortschritte bei Leistungswandlern ermöglicht Das Fehlen der Fähigkeit zum Selbststarten war jedoch ein kritischer Faktor, der die allgemeine Benutzung von synchron kommutierten Systemen verhinderte.

Zur Leistungsübertragung zwischen zwei Wechselstromnetzen unterschiedlicher Spannung und Frequenz ist es bekannt, einen Umrichter zu verwenden, der aus einem Gleichrichter und einem netzgeführten Wechselrichter besteht, dessen Kommutierungsblindleistung durch eine ausgangsseitig mit dem Wechselrichter verbundene Synchronmaschine gedeckt wird. Die Inbetriebnahme dieser Anlage erfolgt in der Weise, daß die Synchronmaschine vom speisenden Netz aus unter Überbrückung des Wechselrichters asynchron hochgefahren wird. Dabei entsteht ein sehr hoher Anlaufstrom, so daß die Spannung des speisenden Netzes in nicht vertretbarer Weise absinkt (DT-AS 12 81 027).

Es ist ferner bekannt, den Gleichrichter und den Wechselrichter jeweils als Ventilbrückenschaltung auszuführen. Dabei werden in der Brückenschaltung steuerbare Ventile eingesetzt. Zusätzlich bedarf es aber einer Schaltung zum Anlassen der Synchronmaschine, so daß ein erheblicher apparativer Aufwand für diesen Umformer erforderlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Umrichter der einleitend genannten Art so zu verbessern, daß der apparative Aufwand durch Zusammenfassung von Funktionen kleingehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mit Thyristoren als steuerbare Ventile versehene, im Betrieb als Gleichrichter geschaltete Eingangskreis zum Anlassen der Synchronmaschine in eine Anlaßstellung als Wechselstromsteller umschaltbar ist.

Durch diese Schaltung wird der Gleichrichterkreis in doppelter Weise ausgenutzt Durch Einstellung der Thyristoren erfolgt die Schaltung in dem Augenblick, in

dem kleine Ströme fließen. Die Thyristoren werden in Startstellung zum Anlassen der Synchronmaschine mit regelbarer Wechselspannung benutzt, während sie in Betriebsstetlung zur Regelung des Gleichrichters dienen. Auf diese Weise kann die Ausgangsleistung sowohl bezüglich der Spannung als auch der Frequenz geregelt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Eingangskreis in Bf 'riebsstellung als Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung und in Anlaßstellung ais Drehstromsteller in Antiparallelschaltung umschaltbar. Auch durch diese Schaltung wirG der apparative Aufwand gegenüber anderen Gleichrichterschaltungen klein gehalten.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Synchronmaschine einen Dämpfungskäfig zum Anlassen als Asynchronmotor sowie eine in Betriebsstellung erregte Gleichstromerregerwicklung zum synchronen Lauf auf. Gegenüber anderen Möglichkeiten zum Anlassen von Synchronmaschinen ist diese Ausführungsform besonders einfach und bil'ig.

Schließlich ist die dreiphasige Wechselstromwicklung der Synchronmaschine bei einem Umrichter, der an ein speisendes Einphasennetz angeschaltet ist, in der Anlaßstellung mit zwei ihrer Anschlußklemmen an den einphasigen Ausgang des Eingangskreises angeschaltet und ein Kondensator ist zwischen einer dieser Anschlußklemmen und der dritten Anschlußklemme geschaltet. Diese Schaltung erweist sich für einen an ein Einphasennetz angeschalteten Umrichter als besonders zweckmäßig.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt das Schaltbild eines Umrichters an einer einphasigen Wechselstromquelle in der Startstellung;

Fig.2 zeigt das Schaltbild des Umrichters aus F i g. 1 in der Betriebsstellung;

F i g. 3 zeigt das Schaltbild eines Umrichters an einer dreiphasigen Wechselstromquelle in der Startstellung;

Fig.4 zeigt das Schaltbild des Umrichters aus F i g. 3 in der Betriebsstellung.

In der in F i g. 1 gezeigten Startstellung weist der Umrichter im wesentlichen einen als Wechselstromsteller 10 arbeitenden Thyristorkreis mit Doppelfunktion auf sowie einen Wechselrichter 12 und eine Synchronmaschine 14. Der Wechselstromsteller 10 enthält antiparallel verbundene Thyristoren 16 und 18 sowie antiparallel verbundene Thyristoren 20 und 22. Die antiparallelen Verbindungen erhält man durch das Schließen der Schalter 24 und 26. Die Schalter 28,30,32 und 34 bleiben während des Startens offen, um die antiparallele Verbindung der Thyristoren zu ermöglichen und den Wechselrichter 12 von dem Stznkreis zu trennen. Eine Wechselstromquelle 36 mit konstanter Spannung und üblicher Netzfrequenz liefert Leistung an den Wechselstromsteller 10.

Der dreiphasige Wechselrichter 12 enthält in Brückenschaltung verbundene Thyristorpaare 38 und 49, 42 und 44, 46 und 48 und ist infolge der geöffneten Schalter 32 und 34 in der Startstellung nicht mit dem Wechselstromsteller 10 verbunden. Die Leitungen und 21 von den antiparallel verbundenen Thyristoren des Wechselstromstellers 10 sind an die dreiphasigen Wicklungen 50 der Synchronmaschine 14 geschaltet. Die Leitung 21 ist an eine Anschlußklemme 52 einer Wicklung über einen Schalter 58 geschaltet, während Hie I.eitune 17 an eine Anschlußklemme 54 einer Wicklung über einen Schalier 60 geschaltet ist; eine weitere Verbindung besteht zu einer Anschlußklemme 56 einer Wicklung über einen Kon iensator 62 und einen Schalter 64. Die Schaller 58,60 und 64 sind während des Startens des Leistungswandlers geschlossen. Der Rotor 66 der Synchronmaschine enthält ein« Felderregerwicklung 67 und einen Dämpferkäfig 69. Eine Belastung in Form eines Induktionsmotors 68 ist über einen Schalter 70 mit der Wicklung 50 verbunden. Der Schalter 70 ίο bleibt in der Startstellung offen und trennt somit den Induktionsmotor 68 ab.

In der in Fig.2 gezeigten Betriebsstellung ist der Thyristorkreis mit Doppelfunktion derart geschaltet, daß er durch Brückenschaltung der Thyristoren 16, 18, 20 und 22 als Phasenverzögerungsgleichrichter 72 arbeitet. Dies geschieht durch öffnen der Schalter 24 und 2β. während entsprechend die Schalter 28, 30, 32 unc" 34 geschlossen werden. Der Wechselrichter 12 wird an die Schaltung nach öffnen der Schalter 58,60 und 64 angeschaltet. Eine Glättungsreaktanz kann zwischen den Ph?senverzögerungsgleichrichter 72 und den Wechselrichter 12 geschaltet sein. Der Motor 68 wird durch Schließen des Schalters 70 angeschaltet.

Der Umformer kann mit Netzspannung betrieben werden, die dem Wechselstromsteller 10 zugeführt wird. In der Startstellung nach Fig.l kann die an den Anschlußklemmen 52, 54 und 56 der Wicklung der Synchronmaschine vorhandene Spannung durch Steuerung des Zündwinkels der Thyristoren 16,18,20 und 22 in dem Wechselstromsteller 10 im wesentlichen von Null bis zu der erwünschten verringerten Spannung verändert werden. Die verringerte Spannung ist notwendig, um den Stromfluß zu der asynchron startenden Synchronmaschine zu begrenzen. Ein Startdrehmoment für die Synchronmaschine 14 wird durch die Phasenschiebung zur Wicklung 50 mittels des ein zweiphasiges Feld schaffenden Kondensators 62 entwickelt, sowie durch die Zusammenwirkung dieses Drehfeldes mit dem in dem Dämpfungskäfig 69 induzierten Strom, wodurch sich ein asynchroner Antrieb ergibt. Die Anforderungen an das Startdrehmomer" sind recht gering, da dieses lediglich minimale Wickiungs- und Reibungsverluste überwinden muß, wobei der Induktionsmotor 68 noch nicht angeschaltet ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Synchronmaschine 14 und der Induktionsmotor 68 nicht mechanisch miteinander verbunden sind.

Die Gleichstromerregung wird nunmehr an das Feld der Synchronmaschine durch die Gleichstromerregerspule 67 angelegt, die die Maschine mit der Netzfrequenz der Wechselstromquelle 36 synchronisiert. Der Startvorgang wird abgeschlossen durch Umschaltung des Wechselstromstellers 10 in einen Phasenverzögerungsgleichrichter 72, so daß Gleichstrom an Stelle von Wechselstrom an dessen Ausgang erzeugt wird, ferner durch Abtrennen dieses Ausgangs von der Synchronmaschine 14 durch die Leitungen 17 und 21, und durch Verbindung des Gleichstromausgangs mit dem Wechselrichter 12, wie in F i g. 2 gezeigt ist. Die Umänderung der Schaltung in der Betriebsstellung nach Fig.2, die den Wechselrichter 12 in die Schaltung einbringt, kann durch öffnen und/oder Schließen der entsprechenden Schalter wie angedeutet J'irchgeführt werden, ohne daß irgendwelche großen Ströme unterbrochen werden. Dies geschieht durch Unterbrechen der Zündung der Thyristoren 16, 18, und 22. Hierdurch werden natürlich diese Thyristoren von der Stromquelle 36 abgeschaltet, und nach dem

Kommutationsvorgang hört der Strom in den Leitungen 17 und 21 auf zu fließen. Nach der Umschaltung ist der Schaltkreis fertig zum Betrieb als synchron kommutierter Umrichter.

Obwohl noch kein Strom in der Synchronmaschine 14 fließt, erzeugt die Gleichstromfelderregung eine Ankerspannung, da die kinetische Energie ihre Drehung aufrechthält. Sobald Thyristor-Torsignale dem Phasenverzögerungsgleichrichter 72 und dem Wechselrichter 12 zugeführt werden, beginnt Strom durch sie zu fließen, und die Spannung der Synchronmaschine 14 hält die !Commutation des Umrichters aufrecht. Die Ausgangsleistung von der Synchronmaschine 14 ist dreiphasig und hat veränderbare Spannung und veränderbare Frequenz; sie wird nach Schließen des Schalters 70 dem Induktionsmotor 68 zugeführt.

Der Umrichter verleiht somit wirtschaftlich und mit gutem Wirkungsgrad dem Induktionsmotor 68 die Fähigkeit zur Geschwindigkeitsänderung. Die Geschwindigkeitsregelung des Motors 68 kann leicht durch mehrere geeignete Verfahren geschehen.

Der Umrichter kann auch aus kommerziellen, dreiphasigen Wechselstromnetzen Leistung erhalten, wie in den F i g. 3 und 4 gezeigt ist. Der einphasig betriebene Umrichter nach den F i g. 1 und 2 braucht nur sehr wenig verändert zu werden.

In der Startstellung liefert die dreiphasige Wechselstromquelle 74 Leistung an den als Wechselstromsteller 76 arbeitenden Kreis mit Doppelfunktion, der drei Paare von antiparallel verbundenen Thyristoren 78 und 80,82 und 84 und 68 und 88 enthält. Dies geschieht durch Schließen der Schalter 90, 92 und 94 und durch öffnen der Schalter % und 98,100 und 102 sowie 104 und 106. Der Wechselrichter 108 weist in dreiphasiger Vollweg-Brückenschaltung verbundene Thyristorpaare 110 und 112, 114 und 116 und 118 und 120 auf; er ist bei geöffneten Schaltern 104 und 106 außer Betrieb.

Die drei Ausgangsleitungen 122, 124 und 126 des Wechselstromstellers 76 sind mit den drei Anschlußklemmen 128, 130 und 132 der Wicklung 134 in der Synchronmaschine 136 verbunden. In den Leitungen 122,124 und 126 befinden sich Schalter 138,140 und 142.

Der Rotor 144 der Synchronmaschine enthält eine Felderregerwicklung 148 und einen Dämpferkäfig 146. Ein Induktionsmotor 130 ist über einen Schalter 152 mit der Wicklung verbunden; in Startstellung ist der Schalter 152 geöffnet.

In der Betriebsstellung nach F i g. 4 sind die Schalter 96, 98,100,102,104,106 und 152 geschlossen, während die Schalter 90, 92, 94, 138, 140 und 142 geöffnet sind. Dadurch werden die Thyristoren 78,80,82,84,86 und 88 in eine Brückenschaltung zur Bildung eines Phasenverzögerungsgleichrichters 154 umgewandelt. Der Wechselrichter 108 enthält ebenfalls eine Glättungsreaktanz 155; ein Induktionsmotor 150 ist ferner mit der Schaltung verbunden. Das Starten und der Betrieb des dreiphasig gespeisten Umrichters ist im wesentlichen identisch im Vergleich mit denn einphasig gespeisten Umrichter, der bereits beschrieben wurde.

Die oben beschriebenen Umrichter haben viele nützliche Anwendungsmöglichkeiten; sie sind besonders vorteilhaft bei der Benutzung mit linearen Induktionsmotoren in Bodentransportfahrzeugen. Die Umrichter nach der Erfindung formen kommerzielle Netzleistung konstanter Spannung, entweder einphasig oder dreiphasig, in dreiphasige Leistung mit veränderbarer Spannung und veränderbarer Frequenz um. Die Synchronmaschine liefert nicht nur reaktive Leistung an den linearen Induktionsmotor, sondern unterstützt auch den Betrieb des Umrichters.

Bei vorhandener Leistung entlang der Fahrstrecke sind die Kosten der Elektrifizierung nominal, und die erforderliche Ausrüstung ist billig und einfacher. Die auf dem Fahrzeug befindliche Synchronmaschine erlaubt ein kleineres elektrisches Leistungssystem an der Fahrstrecke als bei anderen vorgeschlagenen Umrichtern. Die Ausgangsleistung mit veränderbarer Spannung und veränderbarer Frequenz ergibt eine weiche Geschwindigkeitsregelung des Fahrzeugs in allen Schub- und Geschwindigkeitsbereichen während der Beschleunigung, dem Bremsen und dem Fahren. Ein äußerst bedeutender Vorteil des Umrichters ist natürlich seine Fähigkeit, ohne zusätzliche Mittel gestartet werden zu können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Umrichter zur Speisung eines Netzes mit Leistung variabler Spannung und Frequenz aus einem Netz konstanter Frequenz, bestehend aus einem mit durch Phasenanschnitt steuerbaren Ventilen versehenen, im Betrieb als Gleichrichter arbeitenden Eingangskreis, einem nachgeschalteten Wechselrichter, und einer dem Wechselrichter nachgeschalteten Synchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Tnyristoren als steuerbare Ventile versehene, im Betrieb als Gleichrichter (72, 154) geschaltete Eingangskreis zum Anlassen der Synchronmaschine (14, 136) in eine Anlaßstellung als Wechselstromsteller (10, 76) umschaltbar ist.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis in Betriebsstellung als Gleichrichter (72, 154) in Drehstrom-Brückenschaltung und in Anlaßstellung als Drehstromsteller (10,76) in Antiparallelschaltung umschaltbar ist.

3. Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (14,136) einen Dämpfungskäfig (69, 149) zum Anlassen als Asynchronmotor sowie eine in Betriebsstellung erregte Gleichstromerregerwicklung (67, 148) zum synchronen Lauf aufweist

4. Umrichter nach Anspruch 1 bis 3, der an ein speisendes Einphasennetz angeschaltet ist, dadurch 3c gekennzeichnet, daß die dreiphasige Wechselstromwicklung (50) der Synchronmaschine (14) in der Anlaßstellung mit zwei ihrer Anschlußklemmen (52, 54) an den einphasigen Ausgang des Eingangskreises (10, 72) angeschaltet ist und daß ein Kondensator (62) zwischen einer dieser Anschlußklemmen (54) und der dritten Anschlußklemme (56) geschaltet ist.