DE2321199B1

DE2321199B1 - Umrichter

Info

Publication number: DE2321199B1
Application number: DE2321199A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Huebner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-04-26
Filing date: 1973-04-26
Publication date: 1974-09-12
Also published as: JPS561876B2; FR2227672B1; CH567832A5; FR2227672A1; US3887859A; DD110990A5; AT330903B; JPS5013838A; SE395089B; IT1010048B; GB1441374A; DE2321199C2; ATA339574A; NL7404477A; BE814233A; CA1011812A

Description

wurde beispielsweise in einer älteren Erfindung (deutsche Offenlegungsschrift 2 246562), den Kommutierungskondensator einer Summcnlöscheinrichtung über einen Transformator und einen gesonderten Gleichrichter nachzuJaden. Diese Ladeeinrichtungen für selbstgeführte Umrichter lassen sich nur mit teueren, zusätzlichen Bauelementen realisieren. Insbesondere bei selbstgeführten Umrichtern kleinerer Ausgangsleistung, die beispielsweise bei Antrieben kleinerer Leistung eingesetzt werden sollen, vermindern solche zusätzlichen, teueren Bauelemente die Wirtschaftlichkeit und stelkn den Ein: itz solcher Umrichter in Frage.

Es besteht die Aufgabe, einen Umrichter der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Kommutierungskondensatoren in einfacher Weise nachladbar sind, wobei für die Ladeeinrichtung auf teuere zusätzliche Bauteile verzichtet werden soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die steuerbaren Ventile wenigstens einer Brückenhälfte des netzgeführten Gleichrichters mit nicht steuerbaren Ventilen zu einer halbgesteuerten Gleichrichterbriicke ergänzt sind, daß die Ausgänge jeder halbgesteuerten Gleichrichterbriicke mit einem Kondensator überbrückt sind und daß der an den nicht steuerbaren Ventilen liegende Ausgang jeder halbgesteuerten Gleichrichterbrücke jeweils über einer, Widerstand und eine F.ntkopplungsdiode mit jedem Belag jedes Kommutierungskondensators verbunden ist, der den steuerbaren Ventilen des selbsigeführten Wechselrichters zuzuordnen ist, die an der gleichen Sammelschiene des Gleichstromzwischenkreises liegen, wie die steuerbaren Ventile der halbgesteuerten Gleichrichterbrücke.

Bei einem selbstgeführten Wechselrichter in Brükkenschaltung können die steuerbaren Ventile jeder Brückenhälfte des netzgeführten Gleichrichters mit nicht steuerbaren Ventilen zu einer halbgesteuerten Gleichrichterbrücke ergänzt sein.

Vorzugsweise wird der erfüidungsgemäße Umrichter zur Speisung eines Wechselstrommotors verwendet. Insbesondere läßt sich mi¹, ihm ein wirtschaftlicher Stromrichtermotoi kleinerer Leistung aufbauen, wobei unter Stromrichtermotor im allgemeinen Drehfeldmaschinen synchroner Bauart zu verstehen sind, die aus einem Wechselstrom- oder Drehstromnetz konstanter Spannung und Frequenz über einen selbstgeführten Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis gespeist werden und die Taktung des selbstgeführten Wechselrichters lastabhängig erfolgt.

Der erfindungsgemäße Umrichter weist eine Ladeeinrichtung auf, die ohne teuere, zusätzliche Bauteile, beispielsweise Transformatoren oder Drosseln, zu realisieren ist und mit der die Kommutierungsblindleistung für den Umrichter sichergestellt wird. Dies ist insbesondere bei der Speisung von Wechselstrommotoren wichtig, da durch die Nachladeeinrichtung des erfindungsgemäßen Umrichters die Kommutierungsblindleistung für den selbstgeführten Wechselrichter auch im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen und unabhängig vjn der Drehrichtung der Wechselstrommotors gegeben ist.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Umrichter beispielhaft an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt die Schaltung eines Stromrichtermotors, bei dem über einen selbstgeführten

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Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis ein Syn- Steuersatz 15 nachgeschaltet, von dem über Leitun-

chronmotorl gespeist wird. Der Umrichter besteht gen 16 die Ventile 2 a bis 2/ des Gleichrichters 2 an-

aus einem netzgeführten Gleichrichter 2, einem gesteuert werden.

Gleichstromzwischenkreis 3 mit Glättungsinduktivi- Als Ladeeinrichtung für die Kommutäcrungskontät 4 und einem gesteuerten, selbstgeführten Wechsel- 5 densatoren 5 / und 5 k sind die steuerbaren Ventile richterS. Im Ausführungsbeispiel ist der netzgeführte 2 a bis 2 c bzw. 2 d bis 2/ des netzgeführten Gleich-Gleichrichter 2 aus sechs steuerbaren Ventilen 2 a richters 2 jeweils mk nicht steuerbaren Ventilen 17 a bis 2/ aufgebaut und wird von den Phasen R, S, T bis 17 c bzw. 18 a bis 18 c zu zwei gesonderten, halbeincr Drehsiromleitung gespeist. Der selbstgeführte gesteuerten Drehstrombrückenschaltungen ergänzt. Wechselrichter 5 besteht aus -teuerbaren Ventilen 5 a io Zur Glättung sind die Ausgänge 19 und 20 der aus bis 5 d und nicht steuerbaren Ventilen 5 e bis 5 h in den Ventilen 2 a bis 2 c und 17 α bis 17 c aufgebauten zweiphasiger, vierpulsiger Brücken- bzw. Serienschal- halbgesteuerten Gleichrichterbrücke mit einem Kontung. Solche selbstgeführten Wechselrichter sind, wie densator 21 und die Ausgänge 22 und 23 der aus den bereits erwähnt, aus dem obengenannten »Thyristor- Ventilen Id bis 2/ und 18 a bis 18 c aufgebauten Handbuch« bekannt. Dabei sind in jeder Hälfte 15 halbgesteuerten Gleichrichterbrücke durch einen eines Brückenzweiges jeweils ein steuerbares Ven- Kondensator 24 überbrückt. Der an den nicht steuertilSa bis Sd und jeweils ein nicht steuerbares baren Ventilen 17 a bis 17 c Hegende Ausgang 20 der Ventil Se ~is 5g in Serie geschaltet, wobei die aus den Ventilen 2a bis 2c und 17a bis 17c aufgesteuerbaren Ventile 5 α bis 5 β" mit einer Sammel- bauten halbgesteuerten Gleichrichtej brücke ist jeweils schiene 3 β bzw. 3 b des Gleicrr.tromzwischenkrei- ao über die Serienschaltung eines Widerstandes 25 bzw. ses3 verbunden sind. Die steuerbaren Ventile 5 ti 26 und einer Entkopplungsdiode 27 bzw. 28 an und 5 b bzw. 5 c up«* 5 d jeder Brückenhälfte sind jeden Belag des Kommutierungskondensators S i geüber Kommutierungsivundensatoren 5 / bzw. 5 A: mit- führt. Entsprechend is; der mit den nicht steuerbaren einander verbunden. Der gensnnten Literaturstelle im Ventilen 18 α bis 18 c verbundene Ausgang 23 der ims »Thyristor-Handbuch« ist zu entnehmen, daß bei 25 den Ventilen 2 d bis 2 / und 18 a bis 18 c aufgebaueiner mehrphasigen Ausführung des selbstgeführten ten halbgesteuerten Gleichrichterbrücke jeweils über Wechselrichters jedes steuerbare Ventil einer Brük- eine Seri^nschaltung eines Widerstandes 29 bzw. 30 kenhälfte mit jedem anderen steuerbaren Ventil und einer Entkopplungsdiode 31 bzw. 32 mit jeweils dieser Brückenhälfte über einen gesonderten Korn- einem Belag des Kommutierungskondensators 5 k mutierungskondensator verbunden ist. Für den 30 verbunden. In der beschriebenen Ladeeinrichtung ist Wechselrichter 5 sind keine weiteren Halbleiterbau- also jedem Einzelwechselrichter bzw. jeder Briiickcnelemente, beispielsweise keine Blindstromdioden, hälfte des selbstgeführten Wechselrichters 5 esne vorzusehen, da der Zwischenkreisumrichter mit ein- gesonderte halbgesteuert- Gieichrichterbrücke xugeprägtem Strom im Zwischenkreis arbeitet. Die geordnet. Dabei arbeiten jewe'ls die halbgesteuerte steuerbaren Ventile 2 a bis 2/ bzw. 5 a bis 5 d kön- 35 Gleichrichterbrücken und die Brückenhälfte des nen beispielsweise Thyristoren sein. Als nicht Steuer- Wechselrichters 5 zusammen, deren steuerbare Venbare Ventile 5 e bis 5 h können beispielsweise Dioden tile 2 a bis 2 c bzw. 2 d bis 2 / und 5 a bis 5 b bzw. vorgesehen sein. 5 c bis 5 d an der gleichen Sammelschiene 3 b b2 w. 3 a

Der Synchronmotor 1 ist zweiphasig und viersträn- des Gleichstromzwischenkreises 3 liegen. Zu erwäh-

gig mit vier Wicklungen la bis Id ausgeführt, die 40 nen ist noch, daß die nicht steuerbaren Ventile 17 a

in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Jeder bis 17 c, 18 a bis 18 c, Dioden sein können. Die

Wickltir^sstrang 1 α und 1 c bzw. 1 b und 1 d ist mit Größe der Widerstandswerte der Widerstände 25, 26,

einem nicht steuerbaren Ventil 5 e und 5 g bzw. 5 / 29 und 30 hängt von der Größe der Kapazität der

und 5 h des selbstgeführten Wechselrichters 5 ver- Kondensatoren 5 i und 5 k und den gewünschten

bunden. Die Verbindunespunkte 1 e bzw. 1 / jedes 45 Ladezeitkonstanten ab. Diese Widerstands- und

Wicklungsstranges des Synchronmotors 1 sind über Kapazitätswerte sind so gewählt, daß die Zcitkon-

die schematisch dargestelJte Leitung Ig miteinander stante aller aus den Widerständen 25, 26, 29 und 30

verknüpft. Der Synchronmotor 1 kann beispielsweise und den Kondensatoren 5 1 und 5 ^c gebildeten RC-

permanent erregt sein. Glieder gleich ist. Da die Kommutierungskonden-

Mit dem Läufer des Synchronmotors 1 ist ein bei- 50 satoren im allgemeinen gleiche Kapazitätswerte bespielsweise mit Hai !generatoren bestückter Läufer- sitzen, sind auch die Widerstandswerte aller Widerstellungsgeber 6 und eine Tachodynamo 7 mecha- stände 25, 26, 29 und 30 im allgemeinen gleich,
nisch gekoppelt. Die Signale des Läuferstellungs- Zur Erklärung der Funktion der geschilderten gebers 6 sind einer Logikstufe 8 zugeführt, die über Ladeeinrichtung sei die Wirkungsweise des seäbstge-Leitungen 9 die steuerbaren Ventile 5 a bis Sd des 55 führten Wechselrichters 5 kurz erläutert Während selbstgeführten Wechselrichters 5 in Abhängigkeit einer Stromperiode sind folgende Ventilpaa-e an dir von den Signalen r"es Läuferstellungsgebers 6 an- Stromführung beteiligt: 5 a und 5 c; 5 a und 5 rf; 5 b steuert. Der Aufbau einer solchen Logikstufe 8 ist und 5 c. Die Kommutierungen in den beiden Einzelbeispielsweise aus der deutschen Patentschrift wechselrichtern bzw. in den beiden Brückenhälften 1 240 980 bekannt. Die Signale der Tachodynamo 7 60 des Wechselrichter;. 5 erfolgen jeweils um eine werden in einer Addierstufe 10 mit einem Drehzahl- Viertelperiode versetzt.

sollwert verglichen, der über den Eingang 11 einge- Soll z.B. der Laststrom/,1 vom Ventil 5c auf das geben werden kann. Die erhaltene Regelabweichung Ventil 5 d kommutiert werden, so muß zunächst der wird einem Drehzahlregler 12 zugeführt, dessen Aus- Kommutierungskondensator 5 k mit der in. der Zeichgangssignal in einer weiteren Addierstufe 13 mit 65 nung gezeigten Polarität geladen sein. Mk dem Signalen eines Stromwandlers 14 verglichen wird, Leitendwerden des Ventiles 5 d entlädt sich der der in der Drehstromspeiseleitung R, S, T angeordnet Kondensator 5 A: in Durchlaßrichtung des Ventiles 5 d ist. Der Addierstufe 13 ist ein Stromregler- und und entgegen der Durchlaßrichtung des Ventiles 5 c,

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so daß dieses erlischt. Dieser Kommutierungsvorgang Vorzugsweise sorgt eine Verzögerungsschaltung wird mit Phasenfolgelöschung bezeichnet. Soll eine im Stromregler- und Steuersatz 15 dafür, daß sich der Halbperiode später die Kommutierung vom Ventil 5 rf Zündwinkel α für die Stromrichterventile des Gleichauf das Ventil 5 c erfolgen, so muß der Konden- richten. 2 erst dann nach kleineren Werten hin vi;rsator 5 k mit einer Polarität geladen siein, die zur in 5 ändern kann, also erst dann Laststrom zu fliellen der Zeichnung gezeigten umgekehrt ist. beginnt, wenn die Spannung am Kommutierungs-Für die Ventile 5 α und 5 6 muß bei Kommutie- kondensator 5 A- den Wert Un₂ erreicht hat. Dabei rung des Stromes vom Ventil 5 b auf das Ventil 5 α wird die Verzögerungszeit durch die Ladezcitkonder Kommutierungskondensator 51 mit der in der stantcn der /?C-Glieder 29¹ und 5 ft bzw. 30 und S A-Zeichnung gekennzeichneten Polarität geladen sein. io bestimmt. Ebenso ist die Drehzahl b^w. die Um-Bei Kommutierung in umgekehrter Reihenfolge ist richterfrequeriz, bei der die Kondensatoren noch in auch hier die Polarität der Kondensatorladung um- genügender Hohe geladen werden, durch diese Ladezukehren. zeitkonstante gegeben. Solche Verzögerungsschaltiin-Für das Anfahren aus dem Stillstand gilt für die gen in Reglern lassen sich beispielsweise mit anzug?- Polarität der Ladung der Kondensatoren 5 i und 5A- 13 verzögerten Relais zur Freigabe des Regiere realisieren, ebenfalls das oben Gesagte. Für die obere Elrückenhälfle des Wechselrichters 5. Es ist noch anzuführen, daß die Gleichspannung U,\ die die Ventile 5 α und 5 b und den Kommutierungsam Eingang des Zwischenkreises proportional mit kondensator 5 / enthält, wird der gleiche Ladevorder Drehzahl η des Synchronmotors 1 ansteigt. Da gang für den Kommutieningskondensator 51 über du* wegen des Gleichstromzwischenkreises die Belastung ao halbgesteucrte Gleichrichterbrücke erhalten, die aus für den Gleichrichter 2 induktiv ist, ändert sich die den Ventilen 2α bis 2 c und 17a bis 17c aufgebaut Eingangsspannung Uu in Abhängigkeit vom Steuer- ist. Die Ladung des Kommutierungskondensator 51 winkel α nach einer cos-Funktion. Da bei η ^ 0 auf die Spannung IZh₁, die am Kondensator 21 Ii igt, auch Ui as 0 gilt, beträgt der zugehörige Steuer- erfolgt entweder über den Widerstand 26, die Lntwinkel α =» 90° el. Für den Beirieb des Umrichters 25 kopplungsdiode 28 urcd das stromführende Ventil 5 a sind daher nur Steuerwinkel 0° < « < 90° el. erfor- oder über den Widerstand 25, die Entkopplungsdiode derlich. 27 und das stromführende Ventil 5 b. Bezüglich der Der Ladevorgang sei an Hand des Kommutie- Verzögerung für die Abänderung des Zündwinkels u rungskondensators S k erläutert. Der Ausgang der ist auch hier die Ladczeitkonstanie der durch die zugehörigen halbgesteuerten Drehstrombrückenschal- 30 Widerstände 25 und 26 und den Kommutieruigstung, die aus den Stromrichterventilen 2 rf bis 2 / und kondensator 5 / gebildeten RC-Glieder maßgebend. 18a bis 18c aufgebaut ist, ist durch den Konden- Im Ausführungsbeispiel wurde ein zweiphasiger sator 24 überbrückt, der zur Glättung der Ausgangs- selbstgeführter Wechselrichter beschrieben. Der e finspannung Uu₂ der halbgesteuerten Gleichrichter- dungsgemäß^ Umrichter läßt sich auch mit ehern brücke dient. Da durch die Ladewiderstände 29 und 35 mehrphasigen Wechselrichter, beispielsweise einem 30 die halbgesteuertc Drehstrombrückenschaltung Wechselrichter in Drehstrombnückenschaltung, aufohmisch belastet ist und andererseits der Zündwinkel bauen, w^;e er beispielsweise aus dem erwähnten für die Ventile 2 rf bis 2/nicht größer als 90° el. ist, »Thyristor-Handbuch« bekannt ist. Dabei ist die Hegt am Kondensator 24 immer eine Spannung, die Spannung an den Ausgängen 20 und 23 der halbgemindestens Cn₂ ----- 0,5 tZ.i beträgt. Dies folgt aus der 40 steuerten Gleichrichterbrücken über jeweils einen Beziehung C/,i = 0,5 U,_lt bei a = 90" el., die sich aus Ladewiderstand und eine Entkopplungsdiode an der Steuerkennlinie für eine halbgesteuerte Dreh- jeden Belag der vorhandenen Kornmutierungskondenstrombrückenschahung mit ohmscher Last ergibt und satoren zu führen. Bei einer Drehstrombrückenschalin der U,\, die ideelle Gleichspannung der Drehstrom- tung i«t also in Erweiterung des Ausfiihrungsbrückenschaltung ist. 45 beispie's für jede Wechselrichterhälfte die Serien-Es wird angenommen, daß beim Stillstand des schaltung eines weiteren Ladewiderstandes und eine! Synchronmotors 1 in der unteren Brückenhälfte des Entkopplungsdiode erforderlich.
Wechselrichters 5 das Ventil 5 c gezündet ist. Der Zusammenfassend ist festzustellen, daß spit dcrr Zünäwinkel für die Ventile des netzgeführten Gleich- erfindungsgemäßen Umrichter die eingangs genann richten. 2 steht dabei an der Wechselrichtertritt- 60 ten Vorteile erhalten werden. Es ist eine Ladeeinrich grenze α = 90° el. Der Kommutiemngskondensator lung geschaffen, die mit geringem Aufwand ai 5 k wird über den Widerstand 29, die Entkopplungs- Bauelementen eine Ladung der Kommutierungs diode 31 und das gezündete Ventil S c mit der in kondensatoren mit geeigneter Polarität, beispielsweisi der Zeichnung angegebenen Polarität geladen. Wird auch in Bereichen sehr kleiner Drehzahlen und bc nun das Ventil 5 d gezündet, so schwingt der Kon- 55 Stillstand eines Motors, sicherstellt. Zu betonen is densator 5 k um, das Ventil 5 c wird gelöscht und noch, daß der erfindungsgemäße Umrichter sich nich der Strom in bereits beschriebener Weise auf das nur in S'xomrichtermotorer. einsetzen läßt. Mit den Ventil 5 rf kommutiert. Nach der Kommutierung wird erfindungsgemäßen Umrichter lassen sich bei geeig der Kommutierungskondensator 5 k über den Wider- neler Abwandlung der Steuersätze des Umrichter stand 30, die Entkopplungsdiodc 2!2 und das nun- 60 auch Asynchronmotoren betreiben, oder es kann ar mehr stromführende Ventil S rf mit umgekehrter Ausgang des Umrichters eine andere induktive La; Polarität geladen. vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

2

Patentanspruch:

Umrichter mit einem netzgeführten, steuerbaren Gleichrichter in Brückenschaltung, einem Gleichstromzwischenkreis und einem selbstgeführten Wechselrichter, bei dem alle an derselben Sammelschiene des Gleichstromzwischenkreises liegenden steuerbaren Ventile untereinander mit Kommutierungskonuensatoren verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die «teuerbaren Ventile (2 a bis 2 c bzw. Id bis If) wenigstens einer Brückenhälfte des netzgeführten Gleichrichters (2) mit nicht steuerbaren Ventilen (17 a bis 17 c bzw. 18 a bis 18 c) zu einer halbgesteuerten Gleichrichterbriicke ergänzt sind, daß die Ausgänge (19, 20 bzw. 22,23) jeder halbgesteuerten Gleichrichterbriicke mit einem Kondensator (21 bzw. 24) überbrückt sina und daß der an d:n nicht steuerbaren Ventilen liegende Ausgang (20 bzw. 23) jeder halbgesteuerten Gleichrichter- ao brücke jeweils über einen Widerstand (25, 26, 29, 30) und eine Entkopplungsdiode (27, 28, 31, 32) mit jedem Belag jedes Kommutierungskondensators (51, 5 k) verbunden ist, der den steuerbaren Ventilen (5 a, 5 b bzw. 5 c, 5 a") des selbstgeführ- »5 ten Wechselrichters (5) zuzuordnen ist, die an der gleichen Sammelschiene (3 b bzw. 3 α) des Gleichstromzwischenkreises (3) liegen, wie die steuerbaren Ventile der entsprechenden halbgesteuerten Gleichrichterbriicke.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter mit einem netzgeführten, steuerbaren Gleichrichter in Brückenschaltung, einem Gleichstromzwischenkreis und einem selbstgeführten Wechselrichter, bei dem alle an derselben Sammelschiene des Gleichstrorizwischenkreises liegenden steuerbaren Ventile untereinander mit Kommutierungskondensatoren verbunden sind. Insbesondere kann der selbstgeführte Wechselrichter in Brückenschaltung ausgeführt sein.

Solche selbstgeführten Umrichter sind beispielsweise aus dem »Thyristor-Handbuch« Herausgeber: Siemens-Schuckertwerke AG 1965 Seite 260 bis 264 bekannt. Beispielsweise in der gleichen Literaturstelle sind selbstgeführte Stromrichter in zwei- und mehrphasiger Ausführung und in Brückenschaltung beschrieben. Bei diesen selbstgeführten Umrichtern mit Gleichstromzwischenkreis müssen die Kondensatoren des Kommutierungskreises immer genügend Ladung besitzen, um den maximalen Laststrom sicher kommutieren zu können. Dieses Problem tritt insbesondere auf, wenn mit dem selbstgeführten Umrichter ein Wechselstrommotor gesteuert wird, wobei die Taktung des selbstgeführten Wechselrichters lastabhängig erfolgt. Dabei wird bei größeren Drehzahlen n, d.h. bei η > 0,05n,„ worin n„ die Nenndrehzahl ist, die Ladung der Kommutierungskondensatoren über den Zwischenkreis mit der sogenannten Leistungsfaktor-Steuerung erreicht. Für kleinere Drehzahlen und im Stillstand des Motors muß den Kommutierungskondensatoren Ladeenergie gesondert zugeführt werden. Bekannt ist beispielsweise aus der Siemens-Zeitschrift 1965, Seite 254 bis 257 hierfür gesonderte Ladedrosseln vorzusehen, die vom Motorstrom durchflossen sind. Vorgeschlagen 199