DE1488112B2

DE1488112B2 - Statischer frequenzumformer fuer drehzahlgesteuerte dreh strommotoren

Info

Publication number: DE1488112B2
Application number: DE1964A0047999
Authority: DE
Inventors: Armand Prof Dipl Ing Luzern Brandt (Schweiz)
Original assignee: Aktiengesellschaft Brown Boven & Cw, Baden (Schweiz)
Priority date: 1964-05-26
Filing date: 1964-12-28
Publication date: 1971-10-14
Also published as: BE664382A; GB1053087A; SE338100B; CH451313A; FR1434046A; CH417757A; DE1488112A1

Description

1 2

Eine Drehzahlsteuerung von Drehstrommotoren steuerbaren Wechselrichter, der den Motor speist über einen weiten Bereich läßt sich nur durch und der über einen nicht steuerbaren Gleichrichter Frequenzänderung des speisenden Drehstromes an das bestehende Drehstromnetz angeschlossen ist erreichen. Bisher wurden für die Erzeugung der und bei dem zusätzliche steuerbare Stromrichterveränderbaren Frequenz rotierende Umformer- 5 ventile als Löschventile verwendet werden, welche gruppen eingesetzt, die allerdings einen beträcht- mit Impulsen dreifacher Frequenz der Ausgangslichen Aufwand darstellen, so daß eine solche frequenz des Wechselrichters gesteuert werden.
Lösung praktich nur für die Steuerung ganzer Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem derartigen Motorsätze im Gleichlauf in Frage kam. Die Ent- Frequenzumformer den Aufwand an steuerbaren wicklung nicht steuerbarer und steuerbarer Halb- io Ventilen herabzusetzen.

leiterventile rückt den statischen Frequenzumformer Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch

als günstigere Lösung für die Steuerung ganzer gelöst, daß die steuerbaren Wechselrichterventile

Motorsätze in den Vordergrund. In speziellen Fällen einerseits über jeder Phase zugeordnete Kommu-

können damit selbst einzelne Motoren mit vernünfti- tierungskondensatoren mit den steuerbaren Lösch-

gem Aufwand gesteuert werden. Gegenüber Gleich- 15 ventilen und anderseits die Löschventile unmittelbar

stromantrieben dürfte allerdings diese Lösung mit mit dem Sternpunkt des Wechselrichterausgangs ver-

Frequenzsteuerung vorderhand kostspieliger sein. bunden sind und daß die Steuerimpulse für die

Sie bietet jedoch die bekannten Vorteile eines Löschventile in ihrer Phasenlage gegenüber den

kollektorlosen Antriebes. Zündimpulsen der Wechselrichterventile verschieb-

Besonders geeignet für die stufenlose, stetige 20 bar sind.

Frequenzsteuerung ist die an sich bekannte Um- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an

richterschaltung mit Gleichstromzwischenkreis, be- Hand der Zeichnungen im folgenden erläutert.

stehend aus einem Gleichrichter, welcher vom be- F i g. 1 stellt das Schaltbild des Wechselrichters

stehenden Drehstromnetz her einen selbstgeführten des im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispie-

Wechselrichter mit Gleichspannung versorgt. Die 25 les dar;

Lösung mit Gleichstromzwischenkreis bietet unter F i g. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Phasenanderem den Vorteil, daß die Wechselrichterober- spannung eines Wechselrichters ohne Spannungswellen vom speisenden Drehstromnetz ferngehalten steuerung;

werden. F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Phasen-Günstiges Drehmomentverhalten des Motors 30 spannung des Wechselrichters gemäß F i g. 1 mit erhält man bei konstantem Kraftfluß. Soll der Kraft- frequenzproportionaler Spannungsregelung;
fluß konstant bleiben, so muß der Wechselrichter so F i g. 4 stellt eine weitere Ausführungsform dar. gesteuert werden, daß die abgegebene frequenz- Die gezeichnete Wechselrichterschaltung wird vom gesteuerte Spannung frequenzproportional ansteigt. Drehstromnetz über einen nicht dargestellten An-Da jedoch beim selbstgeführten Wechselrichter der 35 paßtransformator mit Siliziumdioden in Drehstrom-Strom der Wechselrichterphasen zwangweise von brückenschaltung mit einer konstanten Gleichspan-Phase zu Phase kommutiert wird, ist die Größe der nung versorgt. Der Wechselrichter besteht aus sechs Ausgangsspannung des Wechselrichters frequenz- steuerbaren Halbleiterventilen 1 bis 6, welche in unabhängig, d. h. konstant. Ein Spannungssteuerung Drehstrombrückenschaltung wechselstromseitig mit des Wechselrichters ist aber durch vorzeitiges 40 den Klemmen eines Drehstrom-Kurzschlußläufer-Löschen der Wechselrichterventile möglich. Löscht motors 7 und gleichstromseitig über Glättungsman zum Beispiel das gezündete Ventil nach einem drosselspulen 8 mit den beiden Polen des speisenden frequenzunabhängigen festen Zeitintervall, so bleibt Gleichrichters verbunden sind. Die sechs steuerbaren die abgegebene Spannungszeitfläche des Wechsel- Ventile 1 bis 6 werden mit kurzen Steuerimpulsen richters und damit auch der Motorfluß unabhängig 45 eines Sechsphasensteuersatzes gezündet. Die Impulsvon der Frequenz konstant. Es sind Schaltungen folgefrequenz des Steuersatzes ist einstellbar, so daß bekannt, (z. B. AEG-Mitteilungen 54 [1964], H. 1/2, der Motor über den Wechselrichter mit in weiten S. 90, Bild 6) bei denen zu diesem Zweck jeder Grenzen verstellbarer Frequenz gesteuert werden Wechselrichterphase ein steuerbares Löschventil zu- kann. Im Betrieb ist in jedem Zeitmoment nur geordnet ist, so daß für einen Wechselrichter in 50 eines der Ventile 1, 3, 5 und nur eines der Ventile Drehstrombrückenschaltung sechs solcher Steuer- 2, 4, 6 stromführend. Der vom Gleichrichter abbaren Ventile erforderlich sind. Derartige Schaltun- gegebene Strom fließt dann vom Pluspol, z. B. über gen sind natürlich sehr aufwendig. das steuerbare Ventil 2, die Wicklungen 71 und 72 Es ist ferner bekanntgeworden, für die Zwangs- des Motors 7 und das steuerbare Ventil 1 zum kommutierung von Wechselrichtern zusätzliche 55 Gleichrichter-Minuspol zurück. Die Kommutierung Löschventile zu benutzen, welche mit dreifacher des Motorstromes, z. B. von Wicklung 71 auf Wick-Frequenz gesteuert werden, um auf diese Weise lung 73, erfolgt mit Hilfe von Kommutierungskondendie Kommutierung der Stromrichter der drei Phasen satoren 11 bis 16. Diese haben die Aufgabe, durch mit Hilfe nur eines einzigen Ventils zu erhalten. Entladung das stromführende Ventil zu löschen. Diese Schaltung vereinfacht wohl die Kommutierung, 60 Ohne die eingezeichneten Löschventile 9 und 10 ermöglicht aber nicht die Konstanthaltung der würden während der Stromführung der Ventile 1 Spannungszeitfläche bei veränderlicher Frequenz, da und 2 die Kondensatoren 11 und 13 über Ventil 2, die bekannte Anordnung nur für die Erzeugung Wicklungen 71 und 73 des Motors und Ventil 1 von Spannungen einer bestimmten Frequenz vor- aufgeladen. In diesem Fall würde nach dem Zünden gesehen ist (s. ETZ-A, 75 [1954], H. 19, S. 649/650). 65 des Ventils 3 der Entladestrom der Kondensatoren Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen 11 und 13 über die Ventile 3 und 1 das Ventil 1 Frequenzumformer für drehzahlgesteuerte Dreh- löschen. Die Kommutierung des Stromes von Ventil 3 strommotoren, bestehend aus einem in der Frequenz auf Ventil 5 bzw. von Ventil 2 auf 4 oder 4 auf 6

3 4

erfolgt in analoger Weise, d. h., der Kondensator- Wechselrichterschaltung. Daß die Löschung der entladestrom, der durch Zündung des nächstfolgen- Löschventile ebenfalls durch Entladung der Komden Ventils eingeleitet wird, löscht jeweils das ab- mutierungskondensatoren erfolgt, ist wesentlich, weil zulösende Ventil aus. Es folgt daraus, daß jedes der Entladeimpuls als positiver Stromimpuls auch Ventil die Motorwicklung während einer Leitzeit 5 durch das gezündete Wechselrichterventil fließt, von 120° mit dem entsprechenden Pol des Gleich- Dieser Stromimpuls verhindert, daß das eben gerichters verbindet, so daß an den Klemmen des zündete Wechselrichterventil bei stark induktiver Motors eine abwechselnd aus positiven und nega- Last sogleich wieder verlöscht, sobald der Steuertiven 120°-Rechteckimpulsen zusammengesetzte impuls an der Steuerelektrode abgeklungen ist. Die Spannungskurve erscheint. F i g. 2 zeigt die Span- io Wechselrichterventile können somit mit außernungskurve des Wechselrichters, z. B. zwischen den ordentlich kurzen Steuerimpulsen gesteuert werden, Klemmen der Phasenwicklungen 71 und 72 des wobei selbst bei stark induktiver Belastung des Motors. Der Scheitelwert dieser Spannungsimpulse Wechselrichters die Stromübernahme durch die entspricht der angelegten Gleichspannung U_g, mit Wechselrichterventile gewährleistet ist. Die Klemder der Wechselrichter versorgt wird. Die Impuls- 15 menspannung am Motor nimmt bei diesem Betrieb dauer beträgt Ve der Periode T. Bei dieser Betriebs- bei bestimmter Löschimpulsverzögerung die in art ist somit die Spannungszeitfläche der Motor- F i g. 3 dargestellte Kurvenform an. In diesem Diaimpulse frequenzabhängig. Je kleiner die Frequenz gramm ist die Impulsdauer Δ T₁ und Δ T₀ konstant, gewählt wird, um so größer wird die Impulsspan- d. h. frequenzunabhängig, während die Lücken Δ T₃ nungszeitfläche und damit auch der Motorfluß. 20 mit zunehmender Frequenz abnehmen, bis sich die Damit bei veränderlicher Frequenz und konstanter Impulse schließlich zusammenschließen, womit die Stromaufnahme mit konstantem Drehmoment ge- maximale Motorspannung erreicht ist. Da Δ T₁, Δ T₂ fahren werden kann, sollte der Motornuß und damit und U_g konstant bleiben, bleibt die Spannungszeitdie Spannungszeitfläche der Impulse konstant, d. h. fläche der negativen und positiven Halbwellen frequenzunabhängig, bleiben. Konstante Spannungs- 25 konstant.

zeitfläche kann aber nur durch vorzeitiges Löschen In F i g. 1 sind an den Klemmen des Motors der steuerbaren Ventile 1 bis 6 erzielt werden. Dieses Gleichrichterventile 31 bis 36 in Drehstrombrückenvorzeitige Löschen der Ventile wird im dargestellten schaltung angeschlossen. Die Schaltung ist mit einem Ausführungsbeispiel durch Löschventile 9 und 10 Kondensator 37 und einem Entladewiderstand 38 erreicht. Das steuerbare Löschventil 9 ist über die 30 belastet und über Gleichrichterdioden 29 und 30 mit in Stern geschalteten Kommutierungskondensatoren den Gleichstromanschlüssen des Wechselrichters ver-11, 13, 15 mit den drei steuerbaren Ventilen 1, 3, 5 bunden. Die Dioden 29 bis 36 dienen zur Führung verbunden. Das Löschventil 10 ist in entsprechender des Blindstromes und des Motorrückstromes beim Weise mit den steuerbaren Ventilen 2, 4, 6 verbun- Bremsen. Ohne diese Dioden könnte sich die den. Diese Löschventile sind andererseits mit dem 35 magnetische Energie der Motorphasen nicht unge-Stempunkt der Motorwicklungen über Begrenzungs- stört abbauen, so daß an den Motorwicklungen und widerstände 17 und 18 und Kondensatoren 19 und 20 damit auch an den sperrenden steuerbaren Ventilen verbunden. Durch die vorzeitige Löschung der schädliche Überspannungen auftreten könnten. Die steuerbaren Ventile 1, 3, 5 und 2, 4, 6 lückt der vom als Rückstromdioden bezeichneten Ventile 29 bis 36 Wechselrichter aufgenommene Gleichstrom. Damit 40 gestatten den Abbau der magnetischen Energie, an den Drosselspulen 8 und damit an den Wechsel- z. B. der Wicklung 71 über die Dioden 34 und 30 richterventilen keine schädlichen Überspannungen über Ventil 10 und Diode 28 oder über Ventil 2 auftreten, sind antiparallel zu den Löschventilen 9 und Diode 22 und z. B. über Wicklung 73 zurück und 10 Rückstromdioden 42 und 43 an die Drossel- auf Wicklung 71. Ein Ausgleich ist auch von Diode spulen 8 angeschlossen, so daß sich die magnetische 45 34 über den Kondensator 37 und Diode 33 für die Energie der Drossel über die betreffende Rückstrom- Wicklungen 73 und 71 möglich. Die vom Motor diode und das gezündete Löschventil abbauen kann. zurückgegebene Energie wird von dem Kondensator Die Zündung der Löschventile erfolgt mit Zünd- 37 aufgenommen. Der Kondensator 37 ist besonders impulsen dreifacher Wechselrichterfrequenz. Damit für den Bremsbetrieb unentbehrlich, weil eine konstante Spannungszeitfläche erhalten wird, folgen 50 Energierückgabe ans Speisenetz über den nicht die Zündimpulse für die Löschventile den Zünd- steuerbaren Speisegleichrichter nicht möglich ist. impulsen für die Wechselrichterventile mit einer Das Anfahren des Wechselrichters erfolgt über konstanten Zeitverzögerung. Wenn notwendig, kann Anlaßwiderstände 39 und 40, welche mittels Kondiese Zeitverzögerung durch eine selbsttätige Rege- takten 41 kurzzeitig einerseits an die Gleichstromlung der Spannungszeitfläche nachgestellt werden. 55 anschlüsse des Wechselrichters, andererseits an die Beim Betrieb mit Löschventilen wird der Ventil- Klemmen der Brückenschaltung 31 bis 36 geschaltet strom des Wechselrichters jeweils vorzeitig auf das werden. Die im Betrieb als Rückstromdioden arbeientsprechende Löschventil kommutiert und nicht tenden Dioden gewährleisten die Stromübernahme auf das nächstfolgende Wechselrichterventil. Zum der steuerbaren Ventile. Diese Maßnahme zwingt Beispiel kommutiert der Strom von Ventil 1 auf 6₀ sich auf, wenn die Ventile mit kurzen Steuerimpulsen Löschventil 9, wobei das Wechselrichterventil 1 gezündet werden. Die Widerstände 39 und 40 köngelöscht wird. Die Zündung des nächstfolgenden nen auch dauernd eingeschaltet bleiben.
Ventils 3 löscht alsdann das Löschventil 9 aus, da Wie F i g. 1 zeigt, sind in Serie zu den steuerbaren der Kondensator zwischen Ventil 3 und 9. der sich Ventilen 1 bis 6 und 9,10 nicht steuerbare Halbin der Zwischenzeit über die Motorwicklung und 65 leiterventile 21 bis 28 geschaltet. Diese Dioden eines der steuerbaren Ventile 2, 4 oder 6 aufgeladen sollen die Entladung der Kommutierungskondenhat, sich über Ventil 3 und 9 entladen kann. Tn satoren 11 bis 16 über die relativ niederohmigen gleicher Weise arbeiten die übrigen Ventile der Motorwicklungen verhindern. Dank dieser Sperr-

dioden kann die Kommutierungskapazität sehr klein gewählt werden. Sperrdioden in Serie zu den steuerbaren Ventilen sind besonders für den Betrieb mit kleiner Wechselrichterfrequenz notwendig.

In der durch F i g. 1 dargestellten Schaltung ist Motor 7 in Stern geschaltet. Als Variante kann der Motor auch in Dreieck geschaltet sein, wobei für den Anschluß der Löschventile 9 und 10 z. B. mittels Induktivitäten, welche in Stern an die Motorklemmen angeschlossen werden, ein künstlicher Sternpunkt gebildet wird.

Die dargestellte Wechselrichterschaltung eignet sich ebenfalls für den Betrieb von Synchronmaschinen oder anderen kollektorlosen Drehstrommaschinen.

Obwohl, wie in F i g. 1 dargestellt, der Wechselrichter vorzugsweise in Drehstrombrückenschaltung geschaltet wird, sind für den Wechselrichterteil andere Schaltungen möglich. Der Wechselrichter kann beispielsweise auch in Saugdrosselschaltung geschaltet werden, wobei jedem Dreiphasensystem ein Löschventil zugeordnet ist. Der Drehstrommotor wird bei dieser Schaltung an die Sekundärwicklungen des Wechselrichtertransformators angeschlossen, die Löschventile an den Saugdrosselmittelpunkt. Die Drehstrombrückenschaltung ist jedoch vorzuziehen, weil auf den Wechselrichtertransformator verzichtet werden kann.

Bei der Schaltung nach F i g. 1 beträgt die an den Wechselrichterventilen auftretende Spitzenspannung in Flußrichtung 5/3 der am Wechselrichter anliegenden Gleichspannung, während ohne Spannungsregelung, d. h. ohne Löschventil, die Spitzenspannung über dem Wechselrichterventil nur gleich der angelegten Gleichspannung sein würde.

Um diese nachteilige hohe Spitzenspannung an den Wechselrichterventilen zu reduzieren, kann zwischen den Sternpunkt der Kondensatoren und dem Löschventil ein weiterer Kommutierungskondensator geschaltet werden, wie die F i g. 4 zeigt.

Man wird vorzugsweise die Kapazität des mit dem Löschventil verbundenen Kondensators doppelt so groß wählen wie die Kapazität eines mit einem Wechselrichterventil verbundenen Kommutierungskondensators. Bei diesem Verhältnis wird die Spitzenspannung in Flußrichtung über einem Wechselrichterventil ein Minimum. Die in F i g. 4 beschriebene Wechselrichterschaltung entspricht in den wesentlichen Teilen der Schaltung der Fig. 1, nur sind die Kondensatoren 19 und 20 anders geschaltet.

Das Löschventil 9 ist über den Kommutierungskondensator 19 und die in Stern geschalteten Kommutierungskondensatoren 11, 13, 15 mit den drei steuerbaren Ventilen 1, 3, 5 verbunden. Das Löschventil 10 ist in entsprechender Weise mit den steuerbaren Ventilen 2, 4, 6 mittels Kondensatoren 12, 14, 16 und 20 verbunden. Diese Löschventile sind andererseits, wie in Fig. 1, mit dem Sternpunkt der Motorwicklungen über Ladewiderstände 17 und 18 verbunden. Dadurch, daß zwischen dem Sternpunkt der Kommutierungskondensatoren 11, 13, 15 und dem Löschventil 9 ein Kommutierungskondensator 19 angeordnet ist, wird die verkettete Spannung der Kommutierungskondensatoren 11, 13, 15 kleiner als ohne Kondensator 19. Infolgedessen wird auch die Spitzenspannung in Flußrichtung über den steuerbaren Ventilen 1, 3.. 5 geringer sein als für den Fall einer direkten Verbindung des Sternpunktes der Kommutierungskondensatoren 11, 13, 15 mit dem Löschventil 9. Wählt man die Kapazität des Kondensators 19 doppelt so groß wie jene der Kondensatoren 11, 13, 15, so liegt über den steuerbaren Ventilen 1, 3, 5 in Flußrichtung eine Spitzenspannung, die 4/3 der am Wechselrichter anliegenden Gleichspannung beträgt. Überbrückt man den Kondensator 19, so steigt die Ventilspannung auf 5/3

ίο der Gleichspannung an.

Claims

Patentansprüche:

1. Statischer Frequenzumformer für drehzahlgesteuerte Drehstrommotoren, bestehend aus einem in der Frequenz steuerbaren Wechselrichter, der den Motor speist und der über einen nicht steuerbaren Gleichrichter an das bestehende Drehstromnetz angeschlossen ist und bei dem zusätzliche steuerbare Stromrichterventile als Löschventile verwendet werden, welche mit Impulsen dreifacher Frequenz der Ausgangsfrequenz des Wechselrichters gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Wechselrichterventile (1 bis 6) einerseits über jeder Phase zugeordnete Kommutierungskondensatoren (11 bis 16) mit den steuerbaren Löschventilen (9, 10) und andererseits die Löschventile (9, 10) unmittelbar mit dem Sternpunkt des Wechselrichterausganges verbunden sind und daß die Steuerimpulse für die Löschventile in ihrer Phasenlage gegenüber den Zündimpulsen der Wechselrichterventile (1 bis 6) verschiebbar sind.

2. Statischer Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Dreiphasensystem (1, 3, 5 bzw. 2, 4, 6) des Wechselrichters nur ein einziges steuerbares Löschventil (9 bzw. 10) zugeordnet ist.

3. Statischer Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der Steuerimpulse der Löschventile gegenüber den Steuerimpulsen der Wechselrichterventile, unabhängig von der Steuerfrequenz, einem konstanten Zeitintervall entspricht.

4. Statischer Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungskondensatoren (11 bis 16) von den Motorwicklungen (71 bis 73) durch Sperrdioden (21 bis 26) getrennt sind.

5. Statischer Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Löschventil (9, 10) mit dem Sternpunkt des Motors (7) verbunden ist.

6. Statischer Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Löschventil mit einem durch Induktivitäten gebildeten künstlichen Sternpunkt des Wechselrichterausgangs verbunden ist.

7. Statischer Frequenzumformer nach Anspruch 1, mit Glättungsdrosselspulen im Gleichstromkreis, dadurch. gekennzeichnet, daß antiparallel zu den Löschventilen (9, 10) Rückstromventile (42, 43) geschaltet sind, die den Abbau der magnetischen Energie der Glättungsdrosselspulen (8) während des Lückens des Gleichstroms gestatten.

8. Statischer Frequenzumformer nach An-

spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Motorklemmen Rückstromdioden (31 bis 36) in Drehstrombrückenschaltung geschaltet sind, die auf einen Kondensator (37) arbeiten, der von den Gleichstromanschlüssen des Wechselrichters durch Sperrdioden (29, 30) abgetrennt ist

9. Statischer Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile der Schaltung Halbleiterventile sind.

10. Statischer Frequenzumformer nach An- xo spruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole der aus den Rückstromdioden (31 bis 36) gebildeten Brückenschaltung über Widerstände (39, 40) mit den Anschlüssen der gegenteiligen Polarität des Wechselrichters verbunden sind.

11. Statischer Frequenzumformer nach An-

spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichterventile (1, 3, 5 bzw. 2, 4, 6) von drei verschiedenen Phasen und das Löschventil (9 bzw. 10) je mit einem Kommutierungskondensator (11 bis 16, 19, 20) verbunden sind und daß diese vier Kondensatoren andererseits zu einem gemeinsamen Sternpunkt verbunden sind.

12. Statischer Frequenzumformer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des mit dem Löschventil (9 bzw. 10) verbundenen Kommutierungskondensators {19 bzw. 20) doppelt so groß ist wie die Kapazität eines mit den Wechselrichterventilen (1 bis 6) verbundenen Kommutierungskondensators (11 bis 16).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109542/29