DE2321199C2

DE2321199C2 - Umrichter

Info

Publication number: DE2321199C2
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: 1975-04-24
Also published as: ATA339574A; SE395089B; GB1441374A; BE814233A; NL7404477A; FR2227672B1; CA1011812A; US3887859A; DD110990A5; DE2321199B1; AT330903B; IT1010048B; CH567832A5; JPS5013838A; JPS561876B2; FR2227672A1

Description

muß den Kommutierungskondensatoren Ladeenergie Im folgenden wird der erfindungsgemäße Umrichgssondert zugeführt werden. Bekannt ist beispiels- «5 ter beispielhaft an Hand der Zeichnung näher erweise aus der Siemens-Zeitschrift 1965, Seite 254 bis läutert.

257 hierfür gesonderte Ladedrosseln vorzusehen, die Die Zeichnung zeigt die Schaltung eines Strom-

vom Motorstrom durchflossen sind. Vorgeschlagen richtermotors, bei dem über einen selbstgeführten

Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis ein Synchronmotor 1 gespeist wird. Der Umrichter besteht aus einem netzgeführten Gleichrichter 2, einem Gleichstromzwischenkreis 3 mit Glättungsinduktivität 4 und einem gesteuerten, selbstge-ührtcn Wechselrichter 5. Im Ausführungsbeispiel ist der netzgeführte Gleichrichter 2 aus sechs steuerbaren Ventilen 2 α bis 2/ aufgebaut und wird von den Phasen R, S, T einer Drehstromleitung gespeist. Der selbsigeführte Wechselrichter 5 besteht aus steuerbaren Ventilen 5 η bis 5 el wild nicht steuerbaren Ventilen 5 e bis 5 h in zwciphasiger, vierpulsiger Brücken- bzw. Serienschaltung. Solche selbstgeführten Wechselrichter sind, wie bereits erwiihnt, aus dem obengenannten »Thyristor-Handbuch« ihikannt. Dabei sind in jeder Hälfte eines Brückenzweiges jeweils ein steuerbares Ventil 5 α bis 5 rf und jeweils ein nicht steuerbares Ventil 5 e bis Sg in Serie geschaltet, wobei die steuerbaren Ventile 5 a bis Sd mit einer Sammelschiene 3 α bzw. 3 b des Gleichslromzwischenkreises 3 verbunden sind. Die steuerbaren Ventile 5 a und 5 f; bzw 5 c und Sd jeder Brückenhälfte sind über Kommutierungskondensatoren S i bzw. 5 k miteinander verbunden. Der genannten Literaturstelle im »Thyristor-Handbuch« ist zu entnehmen, daß bei einer mehrphasigen Ausführung des selbstgeführten Wechselrichters jedes steuerbare Ventil einer Brükkcnhälfte mit jedem anderen steuerbaren Ventil dieser Brückenhälfte über einen gesonderten Kommutierungskondensator verbunden ist. Fur den Wechselrichter 5 sind keine weiteren Halbleiterbauelemente, beispielsweise keine Blindstromdioden, vorzusehen, da der Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis arbeitet. Die steuerbaren Ventile 2 α bis 2/ bzw. 5 a bis 5 d können beispielsweise Thyristoren sein. Als nicht steuerbare Ventile 5 e bis 5 h können beispielsweise Dioden vorgesehen sein.

Der Synchronmotor 1 ist zweiphasig und viersträngig mit vier Wicklungen 1 α bis 1 d ausgeführt, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Jeder Wicklungsstrang 1 α und 1 c bzw. 1 b und 1 rf ist mit einem nicht steuerbaren Ventil 5 e und Sg bzw. 5/ und 5 h des selbstgeführten Wechselrichters 5 verbunden. Die Verbindungspunkte 1 e bzw. 1/ jedes Wick lungsst ringes des Synchronmotors 1 sind über die schematisch dargestellte Leitung 1 g miteinander verknüpft. Der Synchronmotor 1 kann beispielsweise permanent erregt sein.

Mit dem Läufer des Synchronmotors 1 ist ein beispielsweise mit Hallgcneratoren bestückter Läuferstellungsgeber 6 und eine Tachodynamo 7 mechanisch gekoppelt. Die Signale des Läuferstellungsgebers 6 sind einer Logikstufe 8 zugeführt, die über Leitungen 9 die steuerbaren Ventile 5 α bis 5 d des selbstgeführten Wechselrichters 5 in Abhängigkeit von den Signalen des Läuferstellungsgebers 6 ansteuert. Der Aufbau einer solchen Lcgikstufe8 ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 1 240 980 bekannt. Die Signale der Tachodynamo 7 werden in einer Addierstufe 10 mit einem Drehzahlsollwert verglichen, der über den Eingang 11 eingegeben werden kann. Die erhaltene Regelabweichung wird einem Drehzahlregler 12 zugeführt, dessen Ausgangssignal in einer weiteren Addierstufe 13 mit Signalen eines Stromwandlers 14 verglichen wird, der in der Drehstromspeiseleitung/?, S, T angeordnet ist. Der Addierstufe 13 ist ein Stromregler- und Steuersatz 15 nachgeschaut, von dem über Leitungen 16 die Ventile la bis 2/ des Gleichrichters 2 angesteuert werden.

Als Ladeeinrichtung für die Kommutierungskondensatoren 5 / und 5 k sind die steuerbaren Ventile 2 α bis 2 c bzw. 2 d bis 2 / des netzgeführten Gleichrichters 2 jeweils mit nicht steuerbaren Ventilen 17 a bis 17 c bzw. 18 a bis 18 c zu zwei gesonderten, halbgesteuerten Drehstrombrückenschaltungen ergänzt.

ίο Zur Glättung sind die Ausgänge 19 und 20 der aus den Ventilen 2 α bis 2 c und 17 α bis 17 c aufgebauten halbgesteuerten Gleichrichterbrücke mit einem Kondensator 21 und die Ausgänge 22 und 23 der aus den Ventilen Id bis 2 / und 18 α bis 18 c aufgebauten halbgesteuerten Gleichrichterbrücke durch einen Kondensator 24 überbrückt. Der an den nicht steuerbaren Ventilen 17 α bis 17 c liegende Ausgang 20 der aus den Ventilen 2 a bis 2 c und 17 a bis 17 c aufgebauten halbgesteuerten Gleichrichterbrücke ist jeweils

so über die Serienschaltung eines Widerstandes 25 bzw. 26 und einer Entkopplungsdiode 27 bzw. 28 an jeden Belag des Kommutierungskondensators 51 geiührt. Entsprechend ist der mit den nicht steuerbaren Ventilen 18 α bis 18 c verbundene Ausgang 23 der aus den Ventilen 2 rf bis 2/ und 18 a bis 18 c aufgebauten ha'.bgesteuerten Gleichrichterbrücke jeweils über eine Sericnschaltung eines Widerstandes 29 bzw. 30 und einer Entkopplungsdiode 31 bzw. 32 mit jeweils einem Belag des Kommutierungskondensators 5 A:

verbunden. In der beschriebenen Ladeeinrichtung ist also jedem Einzelwechselrichter bzw. jeder Brückenhälfte des selbstgeführten Wechselrichters 5 eine gesonderte halbgesteuerte Gleichrichterbrücke zugeordnet. Dabei arbeiten jeweils die halbgesteuerte Gleichrichterbrücken und die Brückenhälfte des Wechselrichters 5 zusammen, deren steuerbare Ventile 2 α bis 2 c bzw. Id bis 2/ und 5 a bis 5 b bzw. 5 c bis 5 rf an der gleichen Sammelschiene 3 b bzw. 3 a des Gleichstromzwischenkreises 3 liegen. Zu erwähnen ist noch, daß die nicht steuerbaren Ventile 17 α bis 17 c, 18 a bis 18 c, Dioden sein können. Die Größe der Widerstandswerte der Widerstände 25, 26, 29 und 30 hängt von der Größe der Kapazität der Kondensatoren 5 / und 5 k und den gewünschten Ladezeitkonstanten ab. Diese Widerstands- und Kapazitätswerte sind so gewählt, daß die Zeitkonstante aller aus den Widerständen 25, 26, 29 und 30 und den Kondensatoren 5 i und 5 A: gebildeten RC-Glicder gleich ist. Da die Kommutierungskondensatoren im allgemeinen gleiche Kapazitätswerte besitzen, sind auch die Widerstand&werte aller Widerstände 25, 26, 29 und 30 im allgemeinen gleich.

Zur Erklärung der Funktion der geschilderten Ladeeinrichtung sei die Wirkungsweise des selbstgeführten Wechselrichters 5 kurz erläutert. Während einer Stromperiode sind folgende Ventilpaare an der Stromführung beteiligt: 5 α und Sc; Sa und 5rf; Sb und 5 c. Die Kommutierungen in den beiden Einzelwechselrichtern bzw. in den beiden Brückenhälften des Wechselrichters 5 erfolgen jeweils um eine Viertelperiode versetzt.

Soll z. B. der Laststrom /₍| vom Ventil 5 c auf das Ventil 5 rf kommutiert werden, so muß zunächst der Kommutierungskondensator 5 k mit der in der Zeichnung gezeigten Polarität geladen sein. Mit dem Leitendwerden des Ventiles 5 rf entlädt sich der Kondensator 5 k in Durchlaßrichtung des Ventiles 5 rf und entgegen der Durchlaßrichtung des Ventiles 5 c,

so daß dieses erlischt. Dieser Kommuticrungsvorgang wird mit Phasenfolgelöschung bezeichnet. Soll eine Halbperiode später die Kommutierung vom Ventil 5 d auf das Ventil 5 c erfolgen, so muß der Kondensator 5 Jt mit einer Polarität geladen sein, die zur in der Zeichnung gezeigten umgekehrt ist.

Für die Ventile 5 α und 5 £> muß bei Kommutierung des Stromes vom Ventil 5 b auf das Ventil 5 a der Kommuticrungskondcnsator 5 / mit der in der Zeichnung gekennzeichneten Polarität geladen sein. Bei Kommutierung in umgekehrter Reihenfolge ist auch hier die Polarität der Kondensatorladung umzukehren.

Für das Anfahren aus dem Stillstand gilt für die Polarität der Ladung der Kondensatoren 5 ι und 5 Jt ebenfalls das oben Gesagte.

Es ist noch anzuführen, daß die Gleichspannung U,\ am Eingang des Zwischenkreises proportional mit der Drehzahl η des Synchronmotors 1 ansteigt. Da wegen des Gleichstromzwischenkreises die Belastung für den Gleichrichter 2 induktiv ist, ändert sich die Eingangsspannung U^ in Abhängigkeit vom Steucrwinkel α nach einer cos-Funktion. Da bei η ~ 0 auch Ua ~ 0 gilt, beträgt der zugehörige Steuerwinkel α ~ 90° el. Für den Betrieb des Umrichters sind daher nur Steuerwinkel 0° < « < 90° el. erforderlich.

Der Ladevorgang sei an Hand des Kommuticrungskondcnsalors 5 Jt erläutert. Der Ausgang der zugehörigen halbgcstcucrten Drchstrombrückcnschaltung, die aus den Stromrichtcrvcntilcn 2 d bis 2 / und 18 a bis 18 c aufgebaut ist, ist durch den Kondensator 24 überbrückt, der zur Glättung der Ausgangsspannung U\i_t der halbgcstcuerten Gleichrichterbrücke dient. Da durch die Ladewiderstände 29 und 30 die halbgestcucrtc Drchstrombrückenschaltung ohmisch belastet ist und andererseits der Zündwinkcl für die Ventile 2 d bis 2/ nicht größer als 90° el. ist, liegt am Kondensator 24 immer eine Spannung, die mindestens Vn_t 0,5 U,\ beträgt. Dies folgt aus der Beziehung l/_d 0,5 U_ii{ bei α -¹ 90° el., die sich aus der Stcuerkennlinic für eine halbgestcuerte Drehstrombrückcnschaltung mit ohmscher Last ergibt und in der U,u die ideelle Gleichspannung der Drehstrombrückenschaltung ist.

Es wird angenommen, daß beim Stillstand des Synchronmotors 1 in der unteren Brückenhälfte des Wechselrichters 5 das Ventil 5 c gezündet ist. Der Zündwinkel für die Ventile des netzgeführten Gleichrichters! steht dabei an der Wechselrichtertrittgrenze σ = 90° el. Der Kommutierungskondensator 5 k wird über den Widerstand 29, die Entkopplungsdiode 31 und das gezündete Ventil 5 c mit der in der Zeichnung angegebenen Polarität geladen. Wird nun das Ventil 5 d gezündet, so schwingt der Kondensator 5 Jt um, das Ventil 5 c wird gelöscht und der Strom in bereits beschriebener Weise auf das Ventil 5 d kommuticrt. Nach der Kommutierung wird der Kommutierungskondensator 5 k über den Widerstand 30, die Entkopplungsdiode 32 und das nunmehr stromführende Ventil 5 d mit umgekehrter Polarität geladen.

Vorzugsweise sorgt eine Vcrzögcrungsschaltung im Stromicgler- und Steuersatz 15 dafür, daß sich der Zündwinkcl α für die Stromrichlcrvcntilc des Gleichrichters 2 erst dann nach kleineren Werten hin vcrändern kann, also erst dann Laststrom zu fließen beginnt, wenn die Spannung am Kommuiicrungskondcnsator 5 Jt den Wert L/n_? erreicht hat. Dabei wird die Verzögerungszeit durch die Ladczcitkonstanicn der KC-Gliedcr 29 und 5 k bzw. 30 und 5 k

ίο bestimmt. Ebenso ist die Drehzahl bzw. die Umrichlcrfrcqucnz, bei der die Kondensatoren noch in genügender Höhe geladen werden, durch diese Ladczcitkonstantc gegeben. Solche Verzögcrungsschallungen in Reglern lassen sich beispielsweise mit anzugsverzögerten Relais zur Freigabe des Reglers realisieren. Für die obere Briickenhälftc des Wechselrichters 5, die die Ventile 5 β und 5 6 und den Kommutierungskondensator 5 i enthält, wird der gleiche Ladevorgang für den Kommuticrungskondcnsator 5 /' über die

so halbgcsteucrtc Glcichrichterbrückc erhalten, die aus den Ventilen 2 α bis 2 c und 17 a bis 17 c aufgebaut ist. Die Ladung des Kommulicrungskondcnsators 5 i auf die Spannung Un₁, die am Kondensator 21 liegt, erfolgt entweder über den Widerstand 26, die Entkopplungsdiodc 28 und das stromführende Ventil 5 α oder über den Widerstand 25, die Entkopplungsdiodc 27 und das stromführende Ventil 5 b. Bezüglich der Verzögerung für die Abänderung des Zündwinkcls « ist auch hier die Ladezeitkonstante der durch die Widerstände 25 und 26 und den Kommutierungskondcnsalor 5 i gebildeten ftC-Glicder maßgebend. Im Ausführungsbeispiel wurde ein zwciphasiger selbstgeführtcr Wechselrichter beschrieben. Der erfindungsgemäß': Umrichter läßt sich auch mit einem mehrphasigen Wechselrichter, beispielsweise einem Wechselrichter in Drchstrombrückenschaltung, aufbauen, wie er beispielsweise aus dem erwähnten »Thyristor-Handbuch« bekannt ist. Dabei ist die Spannung an den Ausgängen 20 und 23 der halbgesteuerten Gleichrichterbriickcn über jeweils einen Ladewidcrsland und eine Entkopplungsdiodc an jeden Belag der vorhandenen Kommutierungskondensatoren zu führen. Bei einer Drchstrombrückenschaltung ist also in Erweiterung des Ausführungsbeispicls für jede Wechsclrichterhälftc die Sericnschaltung eines weiteren Ladewiderstandes und einer Entkopplungsdiode erforderlich.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Umrichter die eingangs gcnannten Vorteile erhalten werden. Es ist eine Ladeeinrichtung geschaffen, die mit geringem Aufwand an Bauelementen eine Ladung der Kommutierungskondensatoren mit geeigneter Polarität, beispielsweise auch in Bereichen sehr kleiner Drehzahlen und bei Stillstand eines Motors, sicherstellt. Zu betonen ist noch, daß der erfindungsgemäße Umrichter sich nichl nur in Stromrichtermotoren einsetzen läßt. Mit dem erfindungsgemäßen Umrichter lassen sich bei geeigneter Abwandlung der Steuersätze des Umrichter; auch Asynchronmotoren betreiben, oder es kann an Ausgang des Umrichters eine andere induktive Las vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

wurde beispielsweise in einer älteren Erfindung (deutsche OfTenlegungsschrift 2 246 562), den Kom-.^,,ticrimoskondensator einer Summenlöscheinrich-

Patentanspruch:

Umrichter mit einem netzgeführten, steuerbaren mutierungskondensat

Gleichrichter in Brückenschaltung, einem Gleich- tung über einen Transformator und einen gesonder-

stromzwischenkreis und einem selbstgeführten 5 _tcn Gleichrichter nachzuladen. Diese Ladtunnchtun-

Wechselrichter, bei dem alle an derselben Sam- gen fü, selbstgeführte Umrichter lassen sich nur rna

melschiene des Gleichstromzwischenkreises lie- .eueren, zusätzlichen Bauclcmen en_ realisieren. Ins-

genden steuerbaren Ventile untereinander mit besondere bei selbstgefuhrten Umr.chtern kleinerer

Kommutierungskondensatoren verbunden sind, Ausgangsleistung, die beispielsweise bei Antrieben

dadurch gekennzeichnet, daß die .o kleinerer Leistung eingesetzt werden sollen, vcnn.n-

steuerbaren Ventile (2α bis Ic bzw. la bis 21) dem selche zusätzlichen, teueren Bauelemente die

wenigstens einer Brückenhälfte des netzgeführten Wirtschaftlichkeit und stellen den E.nsatz solcher

Gleichrichters (2) mit nicht steuerbaren Ventilen Umrichter in hrage.

(17 a bis 17 c bzw. 18 a bis 18 c) zu einer halb- Es besteht die Aufgabe, einen Umrichter der e.n-

gesteuerten Gleichrichterbrückc ergänzt sind, daß 15 gangs genannten Art so auszugestalten oab die

die Ausgänge (19, 20 bzw. 22,23) jeder halbge- Kommutierungskondensatoren in einfacher Weise

steuerten Gleichrichterbrücke mit einem Kontien- nachladbar sind, wobei für die Ladeeinrichtung auf

sator (21 bzw. 24) überbrückt sind und daß der an teuere zusätzliche Bauteile verzichtet werden soll,

den nicht steuerbaren Ventilen liegende Ausgang Erfindungsgemäß wird diese Autgabe dadurch

(20 bzw. 23) jeder halbgesteuerten Gleichrichter- ao gelöst, daß die steuerbaren Ventile wenigstens einer

brücke jeweils über einen Widerstand (25, 26, 29, Brückenhälfte des netzgeführten Gleichrichters mit

30) und eine Entkopplungsdiode (27, 28, 31, 32) nicht steuerbaren Ventilen zu einer halbgesteuerten

mit jedem Belag jedes Kommutierungskonden- Gleichrichterbrücke ergänzt sind, daß die Ausgange

sators (5 /, 5 k) verbunden ist, der den steuerbaren jeder halbgesteuerten Gleichrichterbrucke mit einem

Ventilen (5 a, Sb bzw. 5 c, Sd) des selbstgeführ- 25 Kondensator überbrückt sind und daß der an den

ten Wechselrichters (5) zuzuordnen ist, die an der nicht steuerbaren Ventilen liegende Ausgang jeder

gleichen Sammelschiene (3 b bzw. 3«) des Gleich- halbgesteuenen Gleichrichterbrücke jeweils über

stromzwischenkreises (3) liegen, wie die Steuer- einen Widerstand und eine Entkopplungsdiode mit

baren Ventile der entsprechenden halbgesteuerten jedem Belag jedes Kommutierungskondensators ver-

Glcichrichterbrücke. 30 bunden ist. der den steuerbaren Ventilen des selbstgeführten Wechselrichters zuzuordnen ist, die an der

gleichen Sammelschiene des Gleichstromzwischen-

kreises liegen, wie die steuerbarer. Ventile der halbgesteuerten Glcichrichterbrücke.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umrichter mit 35 Bei einem selbstgeführten Wechselrichter in Brükeinem netzgeführten, steuerbaren Gleichrichter in kenschaltung können die steuerbaren Ventile jeder Brückenschaltung, einem Gleichstromzwischenkreis Brückenhälfte des netzgeführten Gleichrichters mit und einem selbstgcführten Wechselrichter, bei dem nicht steuerbaren Ventilen zu einer halbgesteuerten alle an derselben Sammelschiene des Gleichstrom- Gleichrichterbrücke ergänzt sein,
zwischenkreises liegenden steuerbaren Ventile unter- 40 Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Umeinander mit Kommutierungskondensatoren verbun- runter zur Speisung eines Wechselstrommotors verden sind. Insbesondere kann der selbstgeführte wendet. Insbesondere läßt sich mit ihm ein wirt-Wechselrichter in Brückenschaltung ausgeführt sein. schaftlicher Stromrichtermotor kleinerer Leistung Solche selbstgeführten Umrichter sind beispiels- aufbauen, wobei unter Stromrichtermotor im allgewcise aus dem »Thyristor-Handbuch« Herausgeber: 45 meinen Drehfeldmaschinen synchroner Bauart zu Siemens-Schuckertwerke AG 1965 Seite 260 bis 264 verstehen sind, die aus einem Wechselstrom- oder bekannt. Beispielsweise in der gleichen Literatur- Drehstromnetz konstanter Spannung und Frequenz stelle sind selbstgeführte Stromrichter in zwei- und über einen selbstgeführten Umrichter mit Gleichrnehrphasiger Ausführung und in Brückenschaltung stromzwischenkreis gespeist werden und die Taktung beschrieben. Bei diesen selbstgeführten Umrichtern 50 des selbstgeführten Wechselrichters lastabhängig nnit Gleichstromzwischenkreis müssen die Konden- erfolgt.

satoren des Kommutieiungskreises immer genügend Der erfindungsgemäße Umrichter weist eine Lade-Ladung besitzen, um den maximalen Laststrom einrichtung auf, die ohne teuere, zusätzliche Bauteile, sicher kommutieren zu können. Dieses Problem tritt beispielsweise Transformatoren oder Drosseln, zu insbesondere auf, wenn mit dem selbstgeführten 55 realisieren ist und mit der die Kommutierungsblind-Umrichter ein Wechselstrommotor gesteuert wird, leistung für den Umrichter sichergestellt wird. Dies wobei die Taktung des selbstgeführten Wechselrich- ist insbesondere bei der Speisung von Wechselstromters lastabhängig erfolgt. Dabei wird bei größeren motoren wichtig, da durch die Nachladeeinrichtung Drehzahlen n, d. h. bei η ^ 0,05 «,„ worin n„ die des erfindungsgemäßen Umrichters die Kommutie-Nenndrehzahl ist, die Ladung der Kommutierungs- 60 rungsblindleistung für den selbstgeführten Wechselkondensatoren über den Zwischenkreis mit der richter auch im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen sogenannten Leistungsfaktor-Steuerung erreicht. Für und unabhängig von der Drehrichtung der Wechselkleinere Drehzahlen und im Stillstand des Motors strommotors gegeben ist.