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DE1438905A1 - Umrichterschaltung,insbesondere fuer die Drehzahlsteuerung kollektorloser Motoren in beiden Drehrichtungen - Google Patents

Umrichterschaltung,insbesondere fuer die Drehzahlsteuerung kollektorloser Motoren in beiden Drehrichtungen

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Description

Aktiengesellschaft Brown« Boveri JE Cie», Baden (Schweiz)
Umrichterschaltung, Insbesondere für die Drehzahlsteuerung kollektorloser Motoren In beiden Drefarichtun^en
Die Erfindung betrifft eine Umrichterschaltung, insbesondere für die Drehzahlsteuerung kollektorloger Motoren in beiden Drehrichtungen* wobei die Steuerung von Strpmrlchterelementen in aufeinanderfolgenden Perioden dtr Netzfrequenz in Abhängigkeit von der verlangten Frequenz geändert wird. Die Spannungekurve der Motorfrequenz entsteht dann ähnlich, wie bei dem bekannten sogenannten Hüllkurvenverfahren.
Bei der Speisung von Drehstrommotoren mit veränderlicher Frequenz hat man bisher verschiedene Verfahren vorgeschlagen, welche aus einem Wechselstromnetz eine Spannung mit veränderlicher Frequenz und Amplitude erzeugen. Beispielswelse wird die Spannung zunächst gleichgerichtet, sodass ein Olelchspannungszwlschenkreis entsteht, dann diese Gleichspannung über Wechselrichter in eine veränderliche Wechselspannung umgeformt. Die Spannung im Oleichspannungszwischenkreia kann hler oei veränderlich oder konstant gehalten werden (siehe beispielsweise VDB-Pmchberichte 1964/ Seite 225 ff.).
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Man kann auch unmittelbar ohne Qiqichapannungszwlsehenkreis die Netzspannung ifiit fester Frequenz in die Motorspannung veränderlicher Frequenz umrichten, wenn man aus der Netzspannung 'jeweils die passenden Augenblickswerte aus der Spannungskurve so herausschneidet, dass sie zusaamengesetzt die gewünschte Spannungsform ergeben. Diese Schaltungen* auch Direktumrichtungen genannt, erfordern ebenso wie-die Schaltungen mit Gleiehtpai^ungsswlschenkreis eine verhÄltnisnXssig gross* Anzahl von gesteuerten Strojnrichterelenenten» Es sind hierbei Mindestens vier gesteuerte Stromrichterelemente je Phase erforderlieh. Bei der Verwendung von Kalbleitern als Stromriehterelenenten ist es bekanntf dass die gesteuerten Halbleiterelemente, die Thyristoren^ wesentlich teuerer slnd^ als Dioden. Kann man aleo die Anzahl der gesteuerten HaIbleiterstronridhter herabsetzen» so erhöht sich damit die Wirtschaftlichkeit der Anordnung, Dies ergibt dann insbesondere die Möglichkeit, auch bei kleineren Motoren die Stromrichiersteuerung einzuführen« die bisher wegen der Unwirtschaftlichkeit nicht Halt einer solchen Anordnung versehen wurden.
Es wird daher erfindungsgemäss vorgesehlagen« dass die Last einerseits unmittelbar» andererseits über eine aus ungesteuerten Stromriehtereleroenten bestehende Oleichrich türanordnung, in deren Oleich»trowkrels ein gesteuertes
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Strorarichterelement liegt, an das speisende Wechselstromnetz angeschlossen 1st« wobei der gesteuerte Stromrichter in Abhängigkeit von der verlangten Frequenz in aufeinanderfolgenden Perioden der Netzfrequenz durch · »im Impulse gesteuert wird.
Hieraus ergibt sich der grosse Vorteil, dass man nur einen einzigen gesteuerten Stromrichter benötigt, wenn Netz und Last die gleiche Phasenzahl besitzen. Nur in Sonderfällen oder wenn die Phasenzahl ungleich ist, sind im Höchstfalle drei gesteuerte Stromrichterelemente erforderlich.
Bei dieser Schaltung ist es nur, wie auch bei den bekannten Schaltungen erforderlich, dafür zu sorgen, dass die Löschung der einzelnen Elemente zu verlangten Zeiten erfolgen kann. Dies wird mit Löschkreisen gemacht. Ebenso muss die Möglichkeit bestehen, dass der Motorblindstrom auch dann aufgebracht werden kann, wenn gerade das Stromrichterelement im nichtleitenden Zustand ist. Es zeigt sich, dass dies In gleicher Weise mit den gleichen einfachen Mitteln auch bei nur einen einzigen gesteuerten Stromrichterelement in Jeder Gleichrichterschaltung möglich ist.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen werden AusfUhrungsbeispiele der Erfindung erläutert. Fig. 1 stellt die Umformung von Einphasenwechselstrom konstanter Frequenz in Einphasenwechselstrom veränderlicher Frequenz und Spannung dar. Die
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Fig. 2a, 2b und 2c stellen hierfür den Verlauf der Spannung in Abhängigkeit von der Zeit dar. Fig. J> stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Umformung von Drehstrom konstanter Frequenz in Drehstrom veränderlicher Frequenz dar und dient zur Speisung eines Kurzschlussankermotors< Fig. 4 zeigt eine Variante der Ausführung nach Fig. 3 mit grösserem Frequenzbereich. Fig. 5 stellt schliesslich ein drittes Ausführungsbeispiel für die Umformung von Einphasenwechselstrom konstanter Frequenz in Drehstrom veränderlicher Frequenz dar. In der Fig. 1 ist die einphasige Umrichtuhg aus der Netzspannung P, 0 dargestellt. Die Last ist mit 4 bezeichnet. Sie ist unmittelbar an das Wechselstromnetz konstanter Frequenz einseitig angeschlossen. Das andere Ende der Last liegt über die Schalteinheit 1 ebenfalls an dem Einphasennetz. Die Schalteinheit 1 besteht aus den Dioden bis 14 in Einphasenbrückenschaltung. Der Oleichstromzweig besteht nur aus dem Thyristor 15 mit der zugehörigen Kommutierungseinrichtung, dem Kondensator 16 und der vormagnetisierten Drosselspule 17 mit rechteckförmiger Magnetisierungskurve. Der Thyristor schliesst durch eine nicht gezeichnete Steuereinrichtung den Gleichstromzweig kurz,wenn er leitend ist. In diesem Falle ist ein Strom durch die Belastung 4 ermöglicht. Je nachdem nun, wann der Thyristor offen ist, kann ein Strom durch die Last 4 in der einen oder anderen Richtung und je nach dem Momentanwert in bestimmter Höhe fHessen. Im Zusammenhang mit den Fig. 2a bis 2c soll nun die WlrJcungs-
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weise der Einrichtung genauer beschrieben werden. Die Steuereinrichtung des Thyristors 15 liefert Impulse von bestimmter Frequenz. Die Frequenz ist massgebend für die an der Last 4 liegende Frequenz. In der Fig. 2a ist zunächst die Impulsfrequenz gleich der Netzfrequenz, also fM » fo. gemacht. Die
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Zündung erfolgt beispielsweise im Zeitpunkt t,. Dieser Zeitpunkt liegt in diesem Falle in jeder Periode bei dem gleichen Momentanwert. Wenn kein Löschkreis vorhanden wäre, würde der Thyristor 15 bis zum Nulldurchgang Strom führen. Der Löschkreis 16, 17 sorgt nun dafür, dass bereits nach einer kürzeren Zeit die Löschung erfolgt. Bs entsteht dann eine bestimmte Impulsbreite, die im wesentlichen von der Vormagnetisierung der Drosselspule 17 abhängt. Nach dem Zünden des Thyristors 15 entlädt sich der Kondensator 16, wodurch die Drosselspule 17 umraagnetisiert wird. Infolge der schwachen Dämpfung des Löschkreises erfolgt die Entladung des Kondensators in Form einer Schwingung, sodass nach Beendigung des Ummagnetislerungsvorganges der Drosselspule der Kondensator mit umgekehrter Polarität aufgeladen ist. Die jetzt einsetzende Entladung des Kondensators in Sperrichtung des Thyristors spielt sich im Sättigungsgebiet der Drosselspule ab. Der Entladestrom steigt praktisch widerstandslos an und löscht den Thyristor. Die hierdurch entstehende Zeit, in welcher der Thyristor leitend ist, entspricht der Ummagnetisierungszeit der Drosselspule 17· Durch Aenderung des Vorraagnetisierungs-
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stromes lässt sich diese Leitzeit beliebig verändern. Hierdurch ist es möglich, dass der Strom in der Last 4 zu einem beliebig wählbaren Zeitpunkt ein- und ausgeschaltet werden kann. Wird der Thyristor 15, wie in der Fig. 2a dargestellt, synchron mit der Netzfrequeriz gezündet, so entstehen bei konstanter Vormagnetisierung der Sättigungsdrosselspule 17 Spannungsimpulse konstanter Höhe und Breite. Es entsteht also ein mit der Netzfrequenz pulsierender Gleichstrom. Die Höhe der Impulse hängt von der Phasenlage der Steuerimpulse gegenüber der Amplitude der Netzspannung ab. Durch Aenderung dieser Phasenlage kann man bei konstanter Frequenz die Gleichspannung an der Last von einem positiven Maximalwert stetig über null zu einem negativen Höchstwert ändern.
Wird nun der Thyristor mit einer Steuerfrequenz fgt, die kleiner oder grosser als die Netzfrequenz t„ ist, gezündet, so entsteht an der Last eine Wechselspannung der Differenzfrequenz f„- fgfc. In der Fig. 2b ist hierbei die Netzfrequenz fM. grosser, in der Fig. 2c kleiner als die Steuerfrequenz. Der Zündpunkt des Thyristors liegt dann bei jeder Periode an einer anderen Stelle. Die Breite des Zündimpulses bleibt gleich, solange die Vormagnetisierung nicht gelindert wird. Man erkennt, dass nunmehr eine Wechselspannung kleinerer Frequenz entsteht als die Netzfrequens beträgt. Der Unterschied zwischen der Steuerung in den Fig. -2b und 2e ist bei der einphasigen Schaltung aunäehst unwessatlieli, nat aber bei der Drehstromschaltung di® B®d@utung^ damit die Drehrichtung regeln zu können» 909839/0342
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Fig. 3 zeigt als weiteres Ausiührungsbeispiel eine Umrichterschaltung; für Drehstrom. Die Schaltung arbeitet im Prinzip gleich* wie die Sohaltung nach der Fig, I. 4, 5 und 6 stellen die Wicklungen eines Kurzschlussankermotors dar, der durch die Umrichterschaltung 1 gespeist wird, Die Wicklungen sind unmittelbar an das Drehstromnetz konstanter Frequenz angeschlossen und werden über die Dioden 11 bis 16 in der dreiphasigen Brückenschaltung von einem einzigen Thyristor ■ 17 periodisch miteinander verbunden oder getrennt, indem der Thyristor 17, der sich im Gleichetromzweig der Brückenschaltung befindet, die Brückenschaltung periodisch je nach der Steuerfrequenz kurzschliesst und unterbricht. Gelöscht wird der Thyristor wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch den Löschkreis 18 und 19. Wird der Thyristor 17 mit Netzfrequenz gezündet, so entsteht über jeder Motorwicklung eine Gleichspannung. Wird der Thyristor dagegen mit einer Steuerfrequenz fo., die grosser oder kleiner als die Netz-
ist
frequenz fITgezündet, so entsteht an jeder Motorwicklung eine Wechselspannung von der Frequenz fM - fc.. Infolge der Sperrwirkung der Dioden 11 bis 16 sind für jede Frequenz die drei Motorphasen um 120° gegeneinander phasenverschoben. Wechselt die Differenzfrequenz das Vorzeichen, so ändert sich die Richtung des Drehfeldes und damit die Drehrichtung des Motors. Die höchste damit zu erreichende Frequenz am Motor 1st gleich der Frequenz des speisenden Netzes.
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Um ein WeiterfHessen des Motorblindstromes während der Löschzeit des Thyristors zu ermöglichen, ist noch ein Kondensator 71 vorgesehen und dem Thyristor 17 parallel geschaltet. Die Diode 72 verhindert eine Entladung dieses Kondensators über den Thyristor 17· Der Widerstand 73 ist der Entladewiderstand für den Kondensator 71r
Bei der in der Pig. 4 dargestellten Ausführung let die höchste erreichbare Frequenz nicht durch die Netsfrequenz begrenzt. Es sind zwei Drehstromschalteinheiten X und £ vorgesehen, die in gleicher Weise arbeiten, wie die Schalteinheit 1 der Fig. J>. Es sind also nun zwei Thyristoren 17 und 27 vorgesehen, welch® im ßegentakt gesundet werdtn, sodas· während einer HaIb-Setzspannung positive und negativ® Impulse auf die gegefo@n wtrden können» In diesem falle besitzt der Kurzschlussankermotor jt'PhetjBS äw«i Wicklungen 41 und 42, 51 \mu 5§s 61 und 62. Diese sind um l80ö phasenverschoben am di© beiden dreiphasigen. 01©ieü??i©lst?rbrücken angeschlossen, ■Die Ajasp©igung erfolgt an d@ß yepbisioiingssteilen zwischen den
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stromnetz verbunden sind. Die Schalteinheiten 1,2,3 sind JUt Aufbau und in der Wirkungsweise gleich wie in Ausführungen beispiel der Fig. 1.
Die Ausführung ist nicht auf die Anwendung von Thyristoren beschrankt. Sie kann in gleicher Weise auch für Quecksilberdampf -Stronr ich terelenente angewendet werden. Is sind auch Ausführungen denkbar, bei denen, das gesteuerte Stromrichterelenent in Gleichstromkreis einer Diodennlttelpunktaohaltung angeordnet ist« wobei diese «in- oder Mehrphasig fin kann. Die beschriebenen AusfUhrungsbeispiele sind also nicht auf die Gleichrichterbrüokenachaltune beschrankt.
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Claims (1)

  1. H38905 "*'
    Patentansprüche
    Iy Uerichterachaltung, insbesondere für die Drehzahlsteuerung kollektorloaer Motoren in beiden Drehrichtungen, wob·! die Steuerung van Strowrlchterelementen in Aufeinanderfolgenden Perioden der Hetxfrequen* in Abhängigkeit von der verlangten Frequeni gelindert wird, dadurch gekennzeichnet« de·· die Wicklungen d«e Motor· einereeit» unmittelbar, andererseits: über ein* au· ungeeteuerten Stromrlohterelementen bestehende Oleichrichteranordnung, in deren Gleichstromkreis ein geeteuertee Stromrichterelement liegt, an das speisende Veehselstroamets angeschlossen sind, wobei der gesteuerte Stromrichter in Abhlbiglgkeit von der verlangten Frequenz in Aufeinanderfolgenden Perioden der Netsfrequens durch impulse gesteuert wird.
    2. Unrichterschaltung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« dass den geeteueten Ventilen die Reihenschaltung aus eine* Kondensator und einer vornagneVisierten Drosselspule parallel liegt, wobei der Vormagnetisierungsstrom die Zeit begrenzt, in welcher der. Thyristor leitend ist. 3* tftirichterschaltung nach Anspruch S4 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem gesteuerten Stromrichterelement über ein weiteres ungesteuertes Stromrichterelement ein weiterer Kondensator parallel geschaltet ist, dem ein Entladewiderstand parallel liegt·
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    4. Umrichterschaltung für die Umrichtung von Drehstrom in Drehstrom kleinerer veränderlicher Frequenz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen des Motors an je eine Phase des speisenden Netzes einerseits unmittelbar und andererseits mit einer dreiphasigen Gleichrichterbrückenschaltung verbunden sind, in deren Gleiehstrompfad ein gesteuertes Stromrichterelement liegt.
    5. Umrichterschaltung für die Speisung eines Drehstrommotors aus einem Einphasennetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen des Motors einerseits je über eine einphasige Gleichrichterbrückenschaltung mit gesteuertem Stromrichterelement im Gleichstrompfad mit dem einen Phasenleiter des speisenden Netzes verbunden sind und der Sternpunkt der in Stern geschalteten Motorwicklungen unmittelbar an der anderen Phase liegen, wobei die Steuerung der gesteuerten Stromrichterelemente so erfolgt, dass die Wicklungen des Motors zyklich nacheinander mit den Phasen des Wechselstromnetzes leitend verbunden werden,
    6. Umrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je nach der Drehrichtung des Motors die Steuerfrequenz grosser oder kleiner als die Ketxirequenz gewählt wird.
    Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & CIE1
    90983S/0342
    Lee rs βτί e
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DE1438905B2 DE1438905B2 (de) 1973-04-12
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