DE2455765B1 - Verfahren und vorrichtung zur stufenlosen steuerung oder regelung der drehzahl und/oder des drehmoments einer drehstrom-asynchronmaschine, die von einem zwischenkreisumrichter gespeist ist - Google Patents

Description

• Diese brauchen daher nicht für eine erhöhte Sperrspannung dimensioniert zu sein. Andererseits können hierdurch Kommutierungskondensatoren verwendet werden, die nicht an die Streuinduktivität der Maschine, sondern im wesentlichen an die Freiwerdezeit der Thyristoren des Wechselrichters angepaßt sind. Der Kommutierungsvorgang kann dadurch in einer wesentlich kürzeren Zeit durchgeführt werden, wodurch sich höhere Betriebsfrequenzen und damit höhere Drehzahlregelbereiche erzielen lassen. Außerdem entfällt hierdurch die Notwendigkeit einer Anpassung des Umrichters an Maschinen mit unterschiedlicher Streuinduktivität. Diese Vorteile überwiegen bei weitem den relativ geringen, für die Spannungsbegrenzung und Rückführung der Überschußenergie in das Drehstromnetz erforderlichen Aufwand.
• Besonders vorteilhaft ist es, die von der Maschine induzierte Spannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und diese Gleichspannung in einen Gleichspannungszwischenkreis einzuführen, dessen Spannungshöhe durch einen netzgeführten Wechselrichter eingestellt wird. Es kann dann in einfacher Weise durch die Wahl des Zündwinkels der Ventile des Wechselrichters der Wert festgelegt werden, auf den die induzierte Maschinenspannung mit Hilfe des Schutzumrichters begrenzt wird, der aus dem Gleichrichter, dem Gleichspannungszwischenkreis und dem Wechselrichter besteht.
• Hinsichtlich der Vorrichtung wird die gestellte Aufgabe, ausgehend von einer Vorrichtung mit einem eine Drehstrom-Asynchronmaschine speisenden, einen netzgeführten Stromrichter, einen Gleichstromzwischenkreis mit induktivem Energiespeicher und einen selbstgeführten Wechselrichter aufweisenden Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ausgangsklemmen des Wechselrichters an die Eingangsklemmen eines Gleichrichters angeschlossen sind, der über einen eine Induktivität aufweisenden Gleichspannungszwischenkreis mit einem weiteren, an ein Drehstromnetz angeschlossenen Wechselrichter verbunden ist. Ein solcher, aus dem Gleichrichter, dem Gleichspannungszwischenkreis und dem zweiten Wechselrichter bestehender Schutzumrichter begrenzt die induzierte Maschinenspannung auf einen vorgegebenen Wert und führt die periodisch auftretende Uberschußenergie unter Umgehung des Zwischenkreisumrichters in das Drehstromnetz zurück. Die Bauelemente des Gleichrichters und des zweiten Wechselrichters sind im Vergleich zu den Hauptventilen des Zwischenkreisumrichters sehr klein. Außerdem ermöglicht die Verwendung des Schutzumrichters Einsparungen bei den Hauptventilen des Zwischenkreisumrichters, den Löschventilen und den Kommutierungskondensatoren.
• Hinzu kommt noch die Vergrößerung des Drehzahlbereiches und damit der Anwendungsmöglichkeiten. Der für den Schutzumrichter erforderliche Aufwand ist daher gering im Vergleich zu den mit ihm erzielbaren Vorteilen.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Drehstromklemmen des weiteren Wechselrichters über einen Trenntransformator mit den Drehstromklemmen des netzgeführten Stromrichters verbunden. Hierdurch kann in einfacher Weise der zweite Wechselrichter an das Drehstromnetz angekoppelt werden.
• Um in einfacher Weise den Spannungsschwellwert einstellen zu können, auf den die induzierte Maschinenspannung begrenzt werden soll, weist bei einer bevorzugten Ausführungsform der weitere Wechselrichter Thyristoren als Gleichrichterelemente auf, die an eine netzsynchronisierte Zündschaltung angeschlossen sind.
• Es braucht dann nur der Steuerstrom der Thyristoren auf einer den gewünschten Spannungsschwellwert ergebende Größe eingestellt zu werden.
• In der Regel wird es zweckmäßig sein, für den weiteren Wechselrichter eine Brückenschaltung vorzusehen.
• Es ist aber auch möglich, ihn in einer Sternschaltung, also dreipulsig, auszuführen, wodurch nur die halbe Anzahl von Thyristoren erforderlich wird.
• Um die Kommutierungskondensatoren so klein wie möglich zu halten, sind diese bei einer bevorzugten Ausführungsform in ihrer Kapazität auf die Freiwerdezeit einschließlich der Schonzeit der Thyristoren des selbstgeführten Wechselrichters abgestimmt.
• Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt ein unvollständig dargestelltes Schaltschema.
• Zur stufenlosen Drehzahlregelung einer Drehfeldmaschine 1, bei der es sich im Ausführungsbeispiel um eine Asynchronmaschine handelt, sowohl in beiden Drehrichtungen als auch im Motor- und im Generatorbereich ist ein Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis vorgesehen, dessen Eingang über Drosseln 2 an das Drehstromnetz anschließbar ist und an dessen Ausgang die Drehfeldmaschine 1 angeschlossen wird. Mit den Drosseln 2 ist der Eingang eines netzgeführten Stromrichters 3 verbunden, der aus sechs Thyristoren n 1 bis n6 gebildet wird. Die Zündschaltung des Stromrichters 3 ist nicht dargestellt, da sie in bekannter Weise ausgebildet sein kann. An die Gleichstromseite des Stromrichters 3 schließt sich ein Gleichstromzwischenkreis 4 an, in dem ein induktiver Energiespeicher 4' liegt.
• Der Gleichstromzwischenkreis 4 verbindet den Stromrichter 1 mit einem selbstgeführten Wechselrichter 5, der aus sechs Thyristoren n 11 bis n 16 aufgebaut ist. Diese Thyristoren sind in entsprechender Weise wie diejenigen des Stromrichters 1 angeordnet, jedoch mit umgekehrter Durchlaßrichtung, wie- dies die Figur zeigt. An den Ausgang des Wechselrichters 5 ist die Drehfeldmaschine 1 angeschlossen. Die Zündschaltung des Wechselrichters ist nicht dargestellt, da sie in bekannter Weise ausgebildet sein kann und für die Erläuterung der Erfindung ohne Bedeutung ist Der Wechselrichter 5 weist eine Kommutierungseinrichtung 6 auf, die sechs Thyristoren n 21 bis n 26 enthält. Diese sind entsprechend den Thyristoren n 11 bis n 16 paarweise jeder Phase zugeordnet und an den Zwischenkreis angeschlossen. Die Verbindungsstelle zwischen den Thyristoren n 11 und n 14 ist mit der Verbindungsstelle zwischen den Thyristoren n 21 und n 24 über einen Kondensator k t verbunden. Entsprechend sind die Verbindungsstellen der übrigen Paare von Thyristoren über Kondensatoren k2 und k3 miteinander verbunden.
• Der gesamte Steuerungsteil des Zwischenkreisumrichters einschließlich der erforderlichen Istwert- und Sollwertgeber sowie der Regler ist in der Figur nicht dargestellt und im folgenden auch nicht erläutert, da dies zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung nicht notwendig ist.
• Um rasche Laständerungen, wie sie beispielsweise beim Übergang vom Motor- in den Generatorbetrieb auftreten können, ohne eine Überbeanspruchung der Thyristoren des Wechselrichters 5 und der Löschthyristoren 1121 bis n26 der Komniutierungseinrichtung durchführen zu können sowie den Zwischenkreisumrichter nicht an Drehfeldmaschinen unterschiedlicher Streuinduktivitäten anpassen zu müssen, ist an den Ausgang des Wechselrichters 5, an dem die normalerweise sinusförmige, induzierte Spannung der Drehfeldmaschine 1 auftritt, ein aus sechs Dioden n41 bis n46 aufgebauter Gleichrichter 7 angeschlossen, der die gleichgerichtete Maschinenspannung als Gleichspannung in einen Gleichspannungszwischenkreis 8 einspeist, welcher eine Drossel 9 aufweist. Ein am Ausgang des Gleichrichters 7 liegender Kondensator 10 hält die Zwischenkreisspannung konstant. Der Kondensator 10 gibt seine Energie über die Drossel 9 an einen netzgeführten, weiteren Wechselrichter 12, der im Ausführungsbeispiel aus sechs Thyristoren n31 bis n 36 aufgebaut ist. Eine nicht dargestellte, in bekannter Weise ausgebildete Zündschaltung, die durch das Drehstromnetz synchronisiert wird, liefert die Steuerspannung, mit der der Zündwinkel der Thyristoren n31 bis n36 eingestellt wird. Diese Einstellung erfolgt so, daß sich im Gleichspannungszwischenkreis eine der gewünschten maximalen induzierten Spannung entsprechende Zwischenkreisspannung ausbildet.
• Überschreitet die von der Drehfeldmaschine 1 induzierte Spannung nach der Gleichrichtung mittels des Gleichrichters 7 den mittels des weiteren Wechselrichters vorgegebenen, am Kondensator 10 liegenden Wert, dann fließt ein Strom durch die Drossel 9 in den weiteren Wechselrichter 12 und von diesem über den Trenntransformator 11 in das Drehstromnetz zurück.
• Hierdurch wird ein Ansteigen der induzierten Maschinenspannung über den eingestellten Schwellwert hinaus verhindert und die dabei auftretende Überschußenergie in das Drehstromnetz zurückgeliefert.
• Durch die Begrenzung der induzierten Maschinenspannung werden auch die Kommutierungsüberspannungen begrenzt. Die Breite der Kommutierungsspannungsspitzen richtet sich im wesentlichen nach der Größe der Kommutierungskondensatoren k 1 bis k3, die wegen der Spannungsbegrenzung so klein gewählt werden können, daß die Phasensprungspannung, d. h.
• die Ladungsänderung an den Kommutierungskondensatoren, in etwa derjenigen Zeit durchlaufen wird, welche die Thyristoren nll bis n 16 des Wechselrichters 5 als Freiwerdezeit plus Schonzeit haben. Daher werden die Anstiegs- und Abfallflanken des Maschinenstromes wesentlich steiler, so daß eine bessere Stromnutzung, insbesondere bei höheren Betriebsfrequenzen, möglich ist.
• Selbstverständlich wäre es möglich, den die Spannung begrenzenden und die Überschußenergie in das Drehstromnetz zurückführenden Schutzumrichter dreipulsig aufzubauen. Der weitere Wechselrichter 12 würde dann beispielsweise eine Sternschaltung erhalten, wodurch die Thyristoren n34 bis n36 eingespart werden könnten. In diesem Falle müßte der negative Strang, von der Zwischenkreisinduktivität 9 kommend, auf den Sekundärsternpunkt des Trenntransformators 11 geführt werden. Die Zwischenkreisdrossel 9 müßte natürlich an den dreipulsigen Aufbau angepaßt werden.

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur stufenlosen Steuerung oder Regelung der Drehzahl und/oder des Drehmomentes einer Drehstrom-Asynchronmaschine, die von einem einen netzgeführten Stromrichter, einen Gleichstromzwischenkreis mit induktivem Energiespeicher und einen selbstgeführten Wechselrichter aufweisenden Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis gespeist ist, d a -durch gekennzeichnet, daß die induzierte Maschinenspannung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt und die durch die Begrenzung auftretende Überschußenergie unter Umgehung des Zwischenkreisumrichters in- das Drehstromnetz zurückgeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Maschine induzierte Spannung in eine Gleichspannung umgewandelt und diese Gleichspannung in einen Gleichspannungszwischenkreis eingeführt wird, dessen Spannungshöhe durch einen netzgeführten Wechselrichter eingestellt wird.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bei einem eine Drehstrom-Asynchronmaschine speisenden, einen netzgeführten Stromrichter, einen Gleichstromzwischenkreis mit induktivem Energiespeicher und einen selbstgeführten Wechselrichter aufweisenden Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen des Wechselrichters (5) an die Eingangsklemmen eines Gleichrichters (7) angeschlossen sind, der über einen eine Induktivität (9) aufweisenden Gleichspannungszwischenkreis (8) mit einem weiteren, an ein Drehstromnetz angeschlossenen Wechselrichter (12) verbunden ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstromklemmen des weiteren Wechselrichters (12) über einen Trenntransformator (11) mit den Drehstromklemmen des netzgeführten Stromrichters (3) verbunden sind.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wechselrichter (12) Thyristoren (n 31 bis n 36) als Gleichrichterelemente aufweist, die an eine netzsynchronisierte Zündschaltung angeschlossen sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wechselrichter (12) in Drehstrombrückenschaltung ausgeführt ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Wechselrichter (12) in Sternschaltung ausgeführt ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, mit an den Ausgang des selbstgeführten Wechselrichters (5) angeschlossenen Kommutierungskondensatoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungskondensatoren (k 1 bis k3) in ihrer Kapazität auf- die Freiwerdezeit einschließlich der Schonzeit der Thyristoren (n 11 bis n 16) des selbstgeführten Wechselrichters (5) abgestimmt sind.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stufenlosen Steuerung oder Regelung der Drehzahl undloder des Drehmoments einer Drehstrom-Asynchronmaschine, die von einem einen netzgeführten Stromrichter, einen Gleichstromzwischenkreis mit induktivem Energiespeicher und einen selbstgeführten Wechselrichter aufweisenden Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis gespeist ist (Siemens Zeitschrift 1971, S. 209 bis 211).

   Beim Betrieb einer Drehstrom-Asynchronmaschine an einem Zwischenkreisumrichter mit eingeprägtem Strom muß zum einen berücksichtigt werden, daß die erforderlichen Kommutierungskondensatoren eine stromabhängige Ladung erhalten, da sie mit der Induktivität der mit ihnen in Reihe liegenden Phase des Motors einen Kommutierungskreis bilden. Die Kommutierungskondensatoren müssen daher auf die wirksame Streuinduktivität des Motors abgestimmt werden, was eine verhältnismäßig aufwendige Anpassung des Zwischenkreisumrichters an unterschiedliche Maschinen zur Folge hat. Zum anderen treten bei raschen Laständerungen, z.B. einer steilen Drehmomentabsenkung oder einer Drehmomentumkehr, vorübergehend Spannungsspitzen erheblicher Größe der von der Drehstrommaschine induzierten Spannung auf. Die Folge ist eine entsprechend hohe Aufladung der Kommutierungskondensatoren. Außerdem kann der Phasensprung der Zwischenkreisspannung sich beachtlich vergrößern. Die Stromrichterventile, insbesondere diejenigen des Löschkreises, werden daher während rascher Laständerungen in Sperrichtung wesentlich stärker als sonst beansprucht. Sofern man verhältnismäßig rasche Laständerungen nicht ausschließen kann oder will, müssen deshalb entweder Stromrichterventile mit entsprechend hohen Sperrspannungen verwendet werden, oder es müssen die Kommutierungskondensatoren so groß gewählt werden, daß gefährliche Spannungsspitzen in der Maschinenspannung und damit Kondensatorspannungen, die für die Sperrfähigkeit der Stromrichterventile gefährlich werden können, vermieden werden. Mit einer Vergrößerung der Kommutierungskondensatoren werden aber die zeitlichen Abstände zwischen der Löschung der einen Phase und der Stromübernahme durch die nächste Phase größer. Man erreicht daher bald die Grenze der oberen Betriebsfrequenz. Außerdem werden bei einer solchen Dimensionierung der Kommutierungskondensatoren die Löschthyristoren mit einem beachtlichen Strom-Effektivwert belastet.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es gestatten, bei einer Drehzahl- und/oder Drehmomentregelung oder -steuerung einer Drehstrom-Asynchronmaschine unter Verwendung eines Zwischenkreisumrichters mit eingeprägtem Strom die Kommutierungskreise weitgehend unabhängig von der Induktivität der Drehstrommaschine ausbilden zu können und Schwierigkeiten bei einem raschen Lastwechsel auszuschließen.

   Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die induzierte Maschinenspannung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt und die durch die Begrenzung auftretende Überschußenergie unter Umgehung des Zwischenkreisumrichters in das Drehstromnetz zurückgeführt wird.

   Die Begrenzung der induzierten Maschinenspannung und die Rückführung der Überschußenergie in das Drehstromnetz verhindern einerseits das Auftreten hoher Sperrspannungen an den Stromrichterventilen.