DE2526684A1

DE2526684A1 - Regelvorrichtung fuer einen umformer

Info

Publication number: DE2526684A1
Application number: DE19752526684
Authority: DE
Inventors: Herbert Seeger
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Vossloh Schienenfahrzeugtechnik GmbH
Priority date: 1975-06-14
Filing date: 1975-06-14
Publication date: 1976-12-30
Also published as: FR2314615A1; FR2314615B1; BE842370A; US4066957A; DE2526684C2

Description

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG IN ESSEN

Regelvorrichtung für einen Umformer

Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem aus Gleichstrommotor und Drehstrom-Generator bestehenden Umformer mit einfachen Mitteln zu erreichen, daß auch bei großen Schwankungen der Eingangsspannung am Gleichstrommotor die für den Betrieb der Verbraucher maßgebenden Bedingungen innerhalb enger Grenzen eingehalten werden. Insbesondere soll die Spannung und die Frequenz des Drehstromnetzes, auch wenn sich die Eingangs-Gleichspannung gegenüber dem Nennwert z.B. um 25 % erhöht un-d um 30 % erniedrigt, innerhalb der Toleranzen bleiben, für welche die Verbraucher ausgelegt sind. Bei den Verbrauchern kann es sich beispielsweise um die Motoren zum Antrieb von Kompressoren und Lüftern von Klimaanlagen handeln, mit denen die Wagen einer/Gleichstrom betriebenen Untergrundoder Stadtbahn ausgerüstet sind. Vorzugsweise sollen bei symmetrischer Belastung des Drehstromnetzes die Spannungen zwischen je zwei Phasenleitungen nicht

wesentlich voneinander abweichen; die Spannungsunterschiede sollen s.B. nicht größer als ± 1 % sein.

Die Zeichnung ist ein Schaltbild für einen Umformer mit einer ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen-Standes bildenden Regelvorrichtung.

/ mit

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An einem Gleichspannungsnetz 1 mit etwa 500 Volt liegt der Anker 2 eines Gleichstrommotors. Dieser hat eine Hauptstrom-Erregerwicklung 3 und. eine Nebenschlußerregerwicklung 63, die einerseits an die positive Schiene des Netzes 1 und andererseits über einen ohm'sehen Widerstand 90 und eine Sperrdiode 91 an die negative Schiene des Netzes 1 angeschlossen ist. Der Anker 2 des Gleichstrommotors ist durch eine Welle 4 mit dem Läufer eines Drehstrom-Asynchron-Generators gekuppelt. Der Ständer dieses Generators enthält eine Dreiphasen-Wicklung in Sternschaltung. Von dieser Wicklung gehen drei Phasenleitungen 7, 8, 9 aus, an welche die Verbraucher, z.B. Wechsel- oder Drehstrommotoren zum Antrieb von Kompressoren und Lüftern der Klimaanlage eines Schienen-Wagens, angeschlossen sind.

Der Drehstrom-Asynchron-Gönerator hat eine Erregerwicklung 10, die ihren Strom einesteils aus einem Stromtransformator 11 über einen Gleichrichter 12 erhält. Der Stromtransformator hat drei Primärwicklungen 13, 14, 15, die in je einer der Pha^senleitungen 7, 8 bzw. 9 liegen. Der Gleichrichter 12 besteht aus sechs Dioden in-— Schaltung. Drei Dioden 16, 17, 18 sind an eine Leitung 19 angeschlossen, die den Minuspol des Gleichrichters darstellt. Die drei anderen Dioden 20, 21, 22 sind an eine Leitung 23 angeschlossen, die den Plus-Pol des Gleichrichters 12 bildet. Drei Sekundärwicklungen 24, 25, 26 des Stromtransformators 11 sind in Sternschaltung angeordnet und mit Punkten 27, 28, 29 in den Verbindungsleitungen zwischen den Dioden 16 und 20, 17 und 21 bzw. 18 und 22 verbunden.

Drehstrom-

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Somit erhält die Erregerwicklung 10 einen Strom proportional dem Laststrom.

Parallel zu dem Gleichrichter 12 liegt an den Leitungen 19 und 23 ein weiterer Gleichrichter 30. Dieser ist durch zwei Leitungen 31, 32 an die Phasenleitungen 7 bzw. 8 angeschlossen. Die Leitung 31 enthält einen induktiven Widerstand 33. In der Leitung 23 liegt zwischen den Plus-Polen der Gleichrichter 12 und 30 eine Sperrdiode 34, welche Strom nur in Richtung von dem Gleichrichter 30 nach der Erregerwicklung 10, nicht aber in umgekehrter Richtung zuläßt.

Der Gleichryvter 30 liefert parallel zu dem Gleichrichter 12 Strom zu der Erregerwicklung 10. Er ist erforderlich, weil beim Leerlauf des Umformers oder bei geringer Last der Stromtransformator 11 allein keinen bzw. einen nicht ausreichenden Erregerstrom liefern würde.

In einer Zweigleitung zwischen dem Punkt 29 und der Leitung 19 liegt ein Tyristor 36, dessen Anode dem Punkte 29 und dessen Kathode der Leitung 19 zugewandt ist.

In einer Zweigleitung zwischen den Leitungen 19 und 12, also parallel zu der Erregerwicklung 10, liegt ein weiterer Thyristor 37 so, daß seine Anode dem Plus-Pol und seine Kathode dem Minus-Pol des Gleichrichters 30 zugewandt ist. Zur Steuerung der Thyristoren 36 und 37 dienen die folgenden Schaltungs elemente :

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An die Phasenleitungen 7, 8, 9 sind drei Primärwicklungen eines Steuer-Transformators 38 angeschlossen, dessen Sekundärwicklungen mit einem Steuer-Gleichrichter 39 verbunden sind. Der Minus-Pol des Steuer-Gleichrichters 39 ist an die Leitung 19, also an die Minus-Pole der Gleichrichter 12 und 30 angeschlossen. Der Plus-Pol des Steuer-Gleichrichters 39 ist mit der Leitung 19 durch zwei parallele Zweigleitungen verbunden, von denen jede in Reihe hintereinander einen induktiven Widerstand 40, 41 und zwei ohm'sche Widerstände 42, 43 bzw. 44, 45 enthält. Jeder der Widerstände 43, 45 ist durch eine von einem Abgriff-Punkt 46, 47 ausgehende Leitung mit der Steuerelektrode des Thyristors 36 bzw. des Thyristors 37 verbunden. In jeder dieser Verbindungsleitungen liegt eine Zener-Diode 48 bzw. 49 in solcher Anordnung, daß sie ein Fließen von Steuerstrom in Richtung nach der Steuerelektrode des Thyristors hin verhindert, solange ihre Sperrspannung nicht überwunden ist.

Dem induktiven Widerstand 41 ist eine Sperrdiode vorgeschaltet. Parallel zu den Widerständen 40 bis liegen in Zweigleitungen zwei Kondensatoren 51.

Die beschriebene Schaltung dient dazu, die Spannung am Drehstromnetz 7, 8, 9 im wesentlichen auch dann konstant zu halten, wenn sich die Last stark ändert, z.B. wenn Motoren der Klimaanlage anlaufen oder Verbraucher zu- oder abgeschaltet werden.

Wenn die Spannung im Drehstromnetz 7,8,9 beginnt, einen vorgegebenen Wert zu überschreiten, überwiegt der Spannungsabfall zwischen dem Abgriffspunkt 47 des Widerstandes 45 und der Leitung 19 die Sperr-

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spannung der Zener-Diode 49. Folglich wird der Thyristor 37 gezündet, so daß der Gleichrichter 30 an der Erregerwicklung 10 vorbei Strom durch den Thyristor 37 schickt, wenn die Spannung im Drehstromnetz 7, 8, 9 unter den vorgegebenen Wert zu sinken beginnt, wird der Spannungsabfall zwischen dem Abgriff spunkt 47 un-d der Leitung 19 kleiner als die Sperrspannung der Zener-Diode 49. Folglich wird der Thyristor 37 gesperrt, da der Gleichrichter 30 eine pulsierende Spannung mit Lücken liefert. Dann liefert der Gleichrichter 30 wieder Strom an die Erregerwicklung 10.

Es ergibt sich sonach eine Zweipunkt-Regelung der Spannung im Drehstromnetz.

Wenn die Spannung im Drehstromnetz 7, 8, 9 über den vorgegebenen Wert zu steigen beginnt, steigt proportional hierzu auch der Spannungsabfall zwischen dem Abgriffspunkt 46 und der Leitung 19. Wenn er die Sperrspannung der Zener-Diode 48 überwiegt, wird der Thyristor 36 gezündet. Infolgedessen wird ein Stromkreis geschlossen, in dem hintereinander die Sekundärwicklung 26, der Punkt 29, der Thyristor 36, die Leitung 19, - in zweiZiweigleitungen - die parallel zueinanderliegenden Dioden 16, 17, die Punkte 27, und die Sekundärwicklungen 24, 25 liegen. Der durch diesen Stromkreis fließende Gleichstrom bewirkt eine Sättigung des Stromtransformators 11. Infolgedessen verringert sich zunehmend die Induktion, so daß schließlich die Sekundärwicklungen 24, 25, 26 nahezu keinen Strom mehr an die Erregerwicklung 10 liefern.

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Wenn die Spannung im Drehstromnetz 7, 8, 9 den vorgegebenen Wert zu unterschreiten beginnt, sinkt der Spannungsabfall zwischen dem Abgriffspunkt 46 und der Leitung 19 unter die Sperrspannung der Zener-Diode 48, so daß der Thyristor 36 gelöscht wird. Infolgedessen verschwindet der bis dahin durch den erwähnten Stromkreis fließende Sättigungsstrom. Der Stromtransformator 11 liefert somit wieder in voller Höhe Strom an die Erregerwicklung 10.

Auch hierbei handelt es sich um eine Zweipunktregelung, durch welche - im Zusammenwirken mit der Zweipunktregelung über den Thyristor 37 und den Gle^richter 30 - die Spannung im Drehstromnetz 7, 8, 9 innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzen konstant gehalten wird.

Abweichend von dem Schaltbild können statt des einen Thyristors 36 zwei oder drei Thyristoren verwendet werden, deren Anoden mit je einem der Punkte 27, 28, 29 verbunden und deren Kathoden an die Leitung 19 angeschlossen sind. Die Steuerelektroden dieser Thyristoren werden dann - ebenso, wie es für den Thyristor 36 dargestellt ist - über je eine Zener-Diode an den Abgriff-Punkt 46 des Widerstandes 43 angeschlossen. Je mehr Thyristoren verwendet werden, desto stärker ist der Sättigungsstrom, so daß die Minderung des von dem Strom-Transformator induzierten Erregerstromes umso intensiver erfolgt.

Wenn die Spannung am Gleichspannungsnetz 1 stark schwankt, hätte das - ohne eine Regelung - zur Folge, daß die Drehzahl des Gleichstrommotors und des Drehstrom-Generators und damit auch die Frequenz in dem Drehstromnetz 7, 8,9 entsprechend schwankt. Das wird verhindert durch den im folgenden beschriebenen Teil der

An die drei Phasenleitungen 7,8,9 des Drehstromnetzes sind drei Primärwicklungen 52, 53, 54 eines weiteren Transformators 55 angeschlossen, die über je einen induktiven Widerstand 56, 57, 58 in einem Sternpunkt vereinigt sind.

Drei Sekundärwicklungen 59, 60, 61 des Transformators 55 liefern Strom an einen Gleichrichter 62, der die Erregerwicklung 63 des Gleichstrommotors mit einem zusätzlichen Erregerstrom speist.

Der Transformator 55 hat drei weitere Sekundärwicklungen 64, 65, 66, die zur Regelung des Erregerstromes in einem Stromkreis für einen Sättigungs-Gleichstrom liegen. Dieser Stromkreis hat eine von der Sekundärwicklung 64 ausgehende Leitung 67, die an die Anode eines Thyristors 68 angeschlossen ist.

Die Kathode dieses Thyristors ist über einen ohm¹sehen Widerstand 69 mit einer Leitung 70 verbunden, von der zwei Zweigleitungen 71, 72 parallel zueinander zu den Sekundärwicklungen 65 bzw. 66 geführt sind.

DBr Stromkreis wird angeschlossen durch eine Leitung 73, welche die Sekundärwicklungen 65 und 66 mit der Sekundärwicklung 64 verbindet. In den Zweigleitungen 71, 72 liegen zwei Sperrdioden 74, 75, die ein Fließen von Strom von den Sekundärwicklungen 65, 66 aus in Richtung nach der Leitung 70 hin verhindern .

Die Anode des Thyristors 68 ist über einen ohm¹sehen Widerstand 77 mit dem Kollektor eines Transistors 78 verbunden, dessen Emitter mit der Leitung 70 verbunden ist. Zwischen der Steuerelektrode des Thyristor 68 und dem Kollektor des Transistors 78 liegt eine Zener-Diode 79 in solcher Anordnung, das

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sie ein Fließen von Steuerstrom in Richtung nach der Steuerelektrode des Transistors 68 hin nur gestattet, wenn ihre Sperrspannung überwunden wird.

Die Basis des Transistors 78 ist über eine weitere Zener-Diode 80 an einen Abgriffspunkt 81 eines ohm¹sehen Widerstandes 82 angeschlossen, der an einem Ende in einem Punkt 83 durch eine Leitung 84 mit der Leitung 70 verbunden ist. Die Zener-Diode 80 ist so angeordnet, daß sie Strom nach der Basis des Transistors 78 nur fließen läßt, wenn ihre Sperrspannung überwunden wird.

Das eine Ende des Widerstandes 82 ist über den Punkt mit dem Minus-Pol eines Tacho-Generators 85 durch eine Leitung 86 verbunden. Vom dem Plus-Pol des Taeho-Generators 85 ist eine Leitung 87 über einen weiteren ohm¹sehen Widerstand 88 zu dem anderen Ende des Widerstandes 81 geführt. Der Läufer des Tacho-Generators 85 ist durch eine Welle 89 mit dem Läufer des Drehstrom-Generators verbunden.

Wenn infolge eines Spannungsabfalles an dem Gleichspannungsnetz 1 die Drehzahl des Gleichstrommotors 2, 3, 63 unter einen vorgegebenen Wert abzusinken beginnt, nimmt die von dem Tacho-Generator 85 gelieferte Spannung proportional hierzu ab. Wenn demgemäß der Spannungsabfall zwischen dem Abgriffspunkt 81 und dem Punkt 83 unter die Sperrspannung der Zener-Diode sinkt, ist der Transsistor 78 geschlossen. Folglich wird der Thyristor 68 gezündet. Demgemäß fließt ein Sättigungs-Gleichstrom durch den Kreislauf 64, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 74, 75, 65, 66, 73. Daher sinkt die Induktion des Transformators 55 zunehmend ab, so daß der Gleichrichter 62 schließlich keinen nennenswerten zusätzlichen Strom mehr an die Erregerwicklung 63 liefert. Das bewirkt eine Er-

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■ höhung der Drehzahl des Gleichstrommotors. Wenn diese Drehzahl den vorgegebenen Wert zu übersteigen beginnt, überwiegt der Spannungsabfall zwischen dem Abgriffspunkt 81 und dem Punkt 83 die Sperrspannung der Zener-Diode 80. Infolgedessen wird der Transistor 78 geöffnet und der Thyristor 68 gelöscht. Folglich verschwindet der Sättigungsstrom in dem erwähnten Stromkreis, so daß der Gleichrichter 62 wieder den vollen zusätzlichen Strom an die Erregerwicklung 63 liefert, was eine Herabsetzung der Drehzahl des Motors und des Generators bewirkt.

Man erhält so beim Pendeln des Drehzahl-Wertes unter und über den Nennwert eine Zweipunktregelung, durch welche die Drehzahl des Gleichstrommotors und des Drehstrom-Generators und damit die Frequenz in dem Drehstromnetz innerhalb der Toleranzen konstant gehalten wird. Anstelle des Transistors 78 kann auch ein anderes Schaltelement, z.B. ein Thyristor, sinngemäß angeordnet, verwendet werden.

In Abweichung von dem dargestellten Schaltbild können die Sekundärwicklungen 64, 65, 66 entfallen, wenn der Thyristor 68 mit seiner Anode an die Sekundär wicklung 59 und mit seiner Kathode an den Minuspol des in Drehstrom-Schaltung ausgeführten Gleichrichter» 62 angeschlossen wird.

Es ist auch möglich, daß statt nur eines Thyristors deren zwei oder drei mit ihren Anoden an je eine der Sekundärwicklungen 59, 60, 61 und mit ihren Kathoden an den Minuspol des in Drehstrom-Schaltung ausgeführten Gleichrichters 62 angeschlossen werden.

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Claims

Patentansprüche:

Λ Regelvorrichtung für einen umformer, bestehend ^—/aus einem Gleichstrommotor und einem Drehstrommotor, mit wenigstens einer Erregerwicklung des Generators oder bzw. und des Motors, die aus dem Drehstromnetz des Generators über einen Transformator und einen Gleichrichter gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Sekundärwicklung (26; 64) des Transformators (12; 55) in einem Stromkreis mit einem Thyristor (36; 68) und zwei anderen parallel zueinander angeordneten Sekundärwicklungen (24; 25; 65, 66) liegt und daß eine Zweipunkt-Regelung des durch diesen Kreislauf fließenden Sättigungsstromes unter Beeinflussung des Steuerstromes des Thyristors in Abhängigkeit von der zu regelnden Größe vorgesehen ist.

Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Spannung zwischen den drei Phasenleitungen (7, 8, 9) des Drehstromgenerators (5, 10) die Primärwicklungen (13, 14, 15) eines Strom-Transformators (11) in je eine der Phasenleitungen gelegt sind und die drei einen Erregerstrom für den Generator liefernden Sekunwicklungen (24, 25, 26) des Transformators in wenigstens einem einen Thyristor (36) enthaltenden Stromkreis liegen, der auch je zwei am Minuspol des in Drehstrom-Schaltung ausgebildeten Gleichrichters liegende Dioden (16, 17) enthält, wobei der Thyristor (36) unter dem Einfluß einer Spannung, die der zu regelnden Spannung proportional ist,

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unter Vermittelung einer mit seiner Steuerelektrode verbundenen Zener-Diode (48) gezündet wird, wenn die zu regelnde Spannung bis zu einem bestimmten Wert ansteigt.

Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (10) des Generators außer an den vom Strom-Transformator (11) gespeisten Gleichrichter (12) an einen parallel zu diesem angeordneten Gleichrichter (30) angeschlossen ist, an den die zwischen zwei Phasenleitungen (7, 8) herrschende Spannung gelegt ist, und daß in einer Zweigleitung parallel zu der Erregerwicklung (10) ein weiterer Thyristor (37) so angeordnet ist, daß seine Anode dem Plus-Pol des Gleichrichters (30) zugewandt ist, wobei der Thyristor unter dem Einfluß einer Spannung, die der zu regelnden Spannung proportional ist, unter Vermittelung einer mit seiner Steuerelektrode verbundenen Zener-Diode (49) gezündet wird, wenn die zu regende Spannung bis zu einem bestimmten Wert ansteigt.

4. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Drehzahl des Drehstrom-Generators (5, 10) drei Primärwicklungen (52, 53, 54) eines Spannungstransförmators (55) , der über einen Gleichrichter (30) einen Erregerstrom an eine Erregerwicklung (63) des Gleichstrommotors liefert, an die Phasenleitungen (7, 8, 9) des Drehstromnetzes angeschlossen und über Widerstände (56, 57, 58) in einem Stern-

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punkt vereinigt sind und daß drei Sekundärwicklungen (59, 60, 61) des Spannungstransformators (55) in wenigstens einem einen Thyristor (68) enthaltenden Stromkreis liegen, der auch je zwei mit dem Minuspol des in Drehstrom-Schaltung ausgebildeten Gleichrichters (30) verbundene Dioden (74, 75) enthält, wobei der Thyristor unter dem Einfluß einer Spannung, die der Drehzahl des Drehstromgenerators (5, 10) proportional ist, unter Vermittelung einer mit seiner Steuerelektrode verbundene/vZener-Diode (79) gelöscht wird, wenn die Drehzahl bis zu einem bestimmten Wert ansteigt.

5. Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Zweigleitung zwischen der Anode und der Kathode des Thyristors (68) hintereinander ein Widerstand (77) und ein Transsitor (78) liegen, daß ferner die Steuerelektrode des Thyristors (68) mit dem Kollektor des Transistros (78) über eine Zener-Diode (79) verbunden ist, wobei die Basis des Transistors (78) und eine weitere Zener-Diode (80) an den Plus-Pol einer Spannungsquelle (85, 88, 82), die eine zur Drehzahl des Drehstromgenerators proportionale Gleichspannung liefert, angeschlossen ist, während der andere Pol (83) der Sp'annungsquelle mit dem Emitter des Transistors (78) verbunden ist.

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