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Einrichtung zur Verbesserung des Leistungsfaktors bei der Speisung
von mehrphasigen kollektorlosen Stromrichtermotoren in Reversierbetrieben Für die
Speisung von Gleichstrommotoren in Reversierbetrieben über Stromrichter sind Schaltungen
mit zwei Stromrichtern bekannt (Achterschaltung oder Kreuzschaltung), welche sowohl
die Nutzbremsung als auch die Umkehrung der Drehrichtung des Motors in ähnlicher
Weise wie bei Leonardschaltung gestatten. Bei der Kreuzschaltung ist jederzeit der
eine Stromrichter als Gleichrichter, der andere als Wechselrichter gesteuert, so
daß jederzeit ohne Verwendung von Schaltapparaten im Hauptstromkreis die Stromrichtung
im Motor, also die Richtung des Drehmomentes, willkürlich umgekehrt werden kann.
Bei der Umkehrung der Drehrichtung, d. h. der Spannung am Motor, muß jeweils die
Funktion der beiden Stromrichter vertauscht werden. Bei Umrichtern erfolgt die Umkehrung
der abgegebenen Spannung und damit auch die Vertauschung der Funktion der Stromrichter
periodisch im Takt der Sekundärfrequenz. Grundsätzlich gleiche Schaltungen lassen
sich auch für den Betrieb von kollektorlosen Stromrichtermotoren anwenden, welche
in ihrem Verhalten demjenigen von Gleichstrommotoren entsprechen.
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Bei der Drehzahlregulierung von Gleichstrommotoren über gesteuerte
Gleichrichter ändert sich der netzseitige Leistungsfaktor in gleicher Weise wie
die Drehzahl, so daß bei Reversiermotoren der mittlere Leistungsfaktor auf unbefriedigende
Werte abfällt. Bei der gebräuchlichen natürlichen Kommutierung des Stromes zwischen
den nacheinander brennenden Anoden der Stromrichter wird dem speisenden Netz sowohl
beim Treiben wie auch beim Nutzbretnsen induktive Blindleistung entnommen. Es sind
Schaltungen angegeben worden, welche unter Verwendung von zusätzlichen Einrichtungen
die Zwangskommutierung des Stromes in der Weise erlauben, daß die Kommutierung statt
wie normalerweise in der Richtung der zwischen den beteiligten Anoden vorhandenen
Wendespannung nun entgegen derselben erfolgt. Bei Gleichrichterbetrieb bedeutet
diese Zwangskommutierung eine Kommutierung vor, bei Wechselrichterbetrieb eine Kommutierung
nach dem Nulldurchgang der Wendespannung. Dem entspricht eine Belastung des speisenden
Netzes mit kapazitiver Blindleistung oder eine Abgabe von induktiver Blindleistung
an das Netz. Könnte somit die eine Hälfte der Leistung eines Reversiermotors bei
natürlicher Kommutierung mit induktiver Belastung des Netzes, die andere Hälfte
bei Zwangskommutierung mit kapazitiver Belastung des Netzes aufgebracht werden,
so könnte dadurch der resultierende Blindstrom der Gruppe auf einen kleinen Bruchteil
vermindert und der Leistungsfaktor der Anlage entsprechend verbessert werden. Die
nächstliegende Möglichkeit der Verwirklichung dieses Zieles bei kollektorlosen Stromrichtermotoren
mit unterdrücktem Gleichstromkreis bestünde darin, zwei vollständige Umrichterschaltungen
aufzustellen, wovon die eine mit natürlicher und die andere mit Zwangskommutierung
ausgerüstet ist, welche zwischen den Klemmen des Netzes und den Klemmen der Motorwicklung
parallel geschaltet würden. Dies ergäbe bei dreiphasigem Netz und dreiphasiger Wicklung
des Stromrichtermotors einen Aufwand von mindestens sechsunddreißig Anoden bzw.
sechsunddreißig Entladungsstrecken, also eine außerordentliche Verteuerung der Anlage.
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Die vorliegende Erfindung gibt nun eine Lösung des Problems, den netzseitigen
Leistungsfaktor bei Reversierbetrieb von kollektorlosen Stromrichtermotoren mit
unterdrücktem Gleichstromkreis zu verbessern, ohne daß die Zahl der Entladungsstrecken
vergrößert werden muß. Der Grundgedanke der Erfindung liegt in der Ausnutzung der
Möglichkeit, bei Umrichterschaltungen mit unterdrücktem Gleichstromkreis die eine
Halbwelle des Netzwechselstromes jeder Netzphase mit natürlicher Kommutierung und
induktiver Belastung des Netzes, die andere Halbwelle aber mit Zwangskommutierung
und kapazitiver Belastung des Netzes zu behandeln.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Verbesserung des
Leistungsfaktors bei der Speisung von mehrphasigen, kollektorlosen Stromrichtermotoren
in Reversierbetrieben, bei welcher jede Phasenklemme des Motors mit jeder Phasenklemme
des Netzes über je zwei gittergesteuerte Entladungsstrecken in Gegenparallelschaltung
verbunden
ist, von welchen jeweils die eine bezüglich der Netzspannung als Gleichrichter,
bezüglich der Motorspannung als Wechselrichter und gleichzeitig die andere bezüglich
der Netzspannung als Wechselrichter, bezüglich der Motorspannung als Gleichrichter
gesteuert ist, und daß in jedem Betriebszustand des Motors jederzeit die Kommutierung
der stromführenden Entladungsstrecken der einen Stromrichtung gegenüber dem natürlichen
Zündpunkt bezüglich der Netzspannung verfrüht, die Kommutierung der stromführenden
Entladungsstrecken der anderen Stromrichtung verspätet wird. Die Wirkungsweise der
Erfindung sei an Hand der Fig. 1 bis 3 erläutert. Die Diagramme Fig. 1 a, 1 b und
2 zeigen Stromkurven, und die Fig. 3 zeigt schematisch eine Schaltung zur Erläuterung
der Kommutierung.
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In Fig. 1 a ist dargestellt, in welcher Weise bei der durch die Erfindung
beabsichtigten Kommutierung der Entladungsstrecken der Strom im speisenden Netz
nicht mehr, wie bekannt, unabhängig von der Drehzahl des Motors ist, sondern mit
abnehmender Drehzahl des Motors ebenfalls abnimmt. Die Kurve der Fig. 1 b zeigt
den resultierenden Momentanwert des Stromes im Netz, und in Fig.2 ist der Stromverlauf
in den drei Phasen des Motors gezeigt.
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Bei voller Aussteuerung der Entladungsstrecken, also bei voller Drehzahl
des Motors, ist die gestrichelt gezeichnete Stromkurve a, a1 des Netzstromes gegenüber
der Netzspannung ß praktisch phasengleich. Für eine Verminderung der Motordrehzahl
würden nun bei den bekannten Steuerverfahren mit natürlicher Kommutierung beide
Stromhalbwellen derselben Phase des Netzes durch die zeitliche Verzögerung der Steuerimpulse
in den Entladungsstrecken ebenfalls verzögert, so daß beide Stromhalbwellen
a, a1 gegenüber der Spannungswelle ß nacheilen würden. Durch die Erfindung
ist es möglich, bei Schaltungen mit unterdrücktem Gleichstromkreis die eine Stromhalbwelle
gegenüber der Spannungswelle im nacheilenden Sinne, die andere Stromhalbwelle im
voreilenden Sinne zu verschieben. Es wird beispielsweise die positive Stromhalbwelle
a nach rechts in die ausgezogen gezeichnete Lage, die negative Stromhalbwelle a1
aber nach links in die ausgezogen gezeichnete Lage verschoben. Soweit sich die beiden
Kurven a und a1 überlappen, ist der resultierende Momentanwert des Stromes gleich
Null, wie Fig. 1 b zeigt. Es ergibt sich hieraus, daß der effektive Strom im Netz
um so kleiner wird, je größer die Verschiebung der beiden Stromhalbwellen aus ihrer
Normallage, d. h. also, je kleiner die am Motor wirksame Spannung und also auch
seine Drehzahl ist. Die Verkleinerung des Effektivwertes des resultierenden Netzstromes
ist aus der Kurve der Fig. 1 b ersichtlich, in welcher die Verkürzung der Länge
der Stromimpulse gegenüber derjenigen der Kurven a und a1 in Fig. 1 a ersichtlich
ist. Im Grenzfall, beim Anfahren des Motors aus dem Stillstand mit Spannung Null,
wo die eine Stromhalbwelle a um 90° nacheilt, die andere Halbwelle a, um 90° voreilt
(s. strichpunktiert gezeichnete Kurven in Fig.1a), ist der Strom im Netz gleich
der Summe dieser Ströme, also Null.
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Aus Fig.2 ist der schematisierte Stromverlauf in den Phasen RST des
Stromrichtermotors zu ersehen. Daraus ergibt sich, daß der Verlauf der Stromkurve
dieser Ströme gleich demjenigen des Primärstromes einer sechsphasigen Gleichrichtergruppe
ist. Jede Phase führt im Verlauf einer Halbwelle einen praktisch konstanten Strom
während einer Zeitdauer von 120° e1. zuzüglich der Überlappung. Abgesehen von der
Überlappung, führen immer nur zwei Wicklungen gleichzeitig Strom, d. h., der Strom
fließt bei Sternschaltung der Wicklungen in der einen Wicklung gegen den Sternpunkt,
in einer andern von ihm weg.
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In dem Schaltschema Fig.3 sind die drei Phasen 1, 2, 3 des den Motor
17 speisenden Netzes über die auf dem gleichen Kern der Glättungsdrossel sitzenden
Wicklungen 7 bis 12 mit achtzehn Entladungsstrecken verbunden, von denen nur vier
Entladungsstrecken, dargestellt durch die Gefäße 13, 14, 15, 16, eingezeichnet sind.
Die achtzehn Entladungsstrecken, nachfolgend kurz als Gefäße bezeichnet, besitzen
Gittersteuerung; sie sind in Gruppen von je drei benachbarten Gefäßen zusammengeschaltet,
deren Anoden mit den Phasenleitern des Netzes und deren Kathoden unteinander verbunden
sind.
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In den auf der linken Seite der Glättungsdrossel liegenden Gefäßen
13, 14 fließt der Strom von oben nach unten, in den rechts davon liegenden Gefäßen
15, 16 von unten nach oben. In dem für die folgende Erläuterung betrachteten Zeitmoment
soll der Strom von der Netzphase 2 über Gefäß 13, Motorphasen 5, 6 und Gefäß 16
in Netzphase 3 zurückfließen. N immt der Motor elektrische Leistung auf, so ist
die Spannung am Motor dem Strom entgegengerichtet, also ist Klemme 5 positiv gegen
Klemme 6, und die beiden Gefäße 13 und 16 arbeiten als Gleichrichter. Die Steuerimpulse
für die Steuergitter der Gefäße werden über rotierende Kontaktapparate 18 bis 31
zugeführt, von denen 18 bis 29 synchron mit der Motorfrequenz umlaufen. Die Kontaktapparate
30, 31 sind mit je zwei rotierenden Bürsten ausgerüstet, um die Kontaktdauer auf
120° e1. ausdehnen zu können. Die links der Glättungsdrossel liegenden neun Gefäße
(13, 14 usw.) werden beispielsweise für Betrieb mit natürlicher Kommutierung, die
neun Gefäße 15,16 usw. rechts der Glättungsdrossel aber für Betrieb mit Zwangskommutierung
gesteuert. Der Begriff der Zwangskommutierung ist aus der Literatur (z. B. Deutsches
Patent 671651) bekannt und wird hier nicht eingehend erläutert. Trotzdem also im
betrachteten Zeitpunkt die beiden momentan arbeitenden Gefäße 13 und 16 als Gleichrichter
arbeiten, werden diese Gefäße verschieden gesteuert in dem Sinne, daß das Gefäß
13 nach dem Nulldurchgang der Wendespannung, Gefäß 16 aber mit Hilfe der Zwangskommutierung
vor dem Nulldurchgang der Wendespannung kommutiert. Zu diesem Zweck ist die Gesamtheit
der synchron mit der Netzfrequenz umlaufenden Kontaktapparate 18 bis 29 in zwei
Gruppen unterteilt. Innerhalb der Gruppen 18 bis 23 und 24 bis 29 haben sowohl die
festen Kontakte wie auch die umlaufenden Bürsten der je sechs Kontaktapparate dieselbe
Lage, dagegen sind die festen Kontakte der einen Gruppe 18 bis 23 gegenüber denjenigen
der anderen Gruppe 24 bis 29 um 180° e1. verschoben. Außerdem sind die umlaufenden
Bürsten der einen Gruppe gegenüber der der maximalen Gleichspannung entsprechenden
Lage um einen willkürlichen Regulierwinkel zurückgestellt, diejenige der anderen
Gruppe um denselben Winkel vorgeschoben. Das Steuergitter des Gefäßes 13 ist mit
dem Kontaktapparat 18 der einen Gruppe, das Steuergitter des Gefäßes 16 mit dem
Kontaktapparat 25 der anderen Gruppe verbunden. Arbeiten die Gefäße 13 und 16 bezüglich
des Netzes als Gleichrichter, dann wird also das Gefäß 13 mit nacheilender natürlicher
Kommutierung, das Gefäß 16 aber mit voreilender
Zwangskommutierung
gesteuert. Solange der Strom bei der Klemme 5 des Motors eintritt, arbeiten die
dem Gefäß 13 benachbarten, nicht eingezeichneten Gefäße, welche mit den Netzphasen
1 und 3 verbunden sind, in gleicher Weise wie ein Dreiphasengleichrichter in Graetzschaltung
in zyklischer Reihenfolge; sinngemäß dasselbe gilt für das Gefäß 16 usf. Um die
Möglichkeit zu schaffen, jederzeit und stetig (ohne Durchführung irgendwelcher Schaltvorgänge
im Hauptstrom- oder Steuerkreis) den Übergang vom Treiben zum Bremsen und umgekehrt
vollziehen zu können, muß in ähnlicher Weise wie beim Umrichter die Steuerung so
durchgeführt werden, daß gleichzeitig mit dem Gefäß 13 und dessen beiden Nachbargefäßen
links der Drossel drei ebenfalls mit der Klemme 5 des Motors verbundene Gefäße mit
entgegengesetzter Stromrichtung rechts der Drossel in Bereitschaft gehalten werden.
Diese in Abb.3 nicht eingezeichneten drei Gefäße müssen dann, solange das Gefäß
13 als Gleichrichter arbeitet, bezüglich des Netzes als Wechselrichter gesteuert
werden; sie führen nur einen durch die Glättungsdrossel begrenzten geringen Ausgleichstrom.
Wird aber zwecks Einleitung einer Bremsung des Motors durch Verstellung eines nicht
gezeichneten Steuerorgans des Motors 17 die ideelle Gleichspannung des Netzes herabgesetzt,
so nimmt auch der Strom im Gefäß 13 der Gleichrichtergruppe auf der linken Seite
der Glättungsdrossel ab, unmittelbar daran anschließend nimmt der Strom in einem
Gefäß derjenigen Wechselrichtergruppe rechts der Glättungsdrossel ztt, welche der
das Gefäß 13 enthaltenden Gleichrichtergruppe zugeordnet ist. Der Strom in der Motorwicklung
fließt nun bei unveränderter Richtung der Spannung am Motor im gleichen Sinne wie
diese, d. h., der Motor arbeitet als Generator und wird gebremst. Bei den bisherigen
Erläuterungen wurde davon ausgegangen, daß Klemme 5 gegen Klemme 6 positiv ist.
Nach einer Drehung des Rotors des Motors um den elektrischen Winkel
besteht derselbe Zustand zwischen den Klemmen 6 und 4. Infolge der gleichzeitigen
Drehung der Bürsten an den Kontaktapparaten 30, 31 um den Winkel
werden an Stelle der Bürsten der Kontaktapparate 18 und 25 die Bürsten der Kontaktapparate
19 und 26 unter Spannung gesetzt und dadurch die Gefäße 14 und 15 stromleitend gemacht.
Was vorher über die Gefäße 13 bis 16 gesagt wurde, gilt sinngemäß auch für alle
übrigen Gefäße mit der der zugehörigen Spannung entsprechenden Phasenlage. Bei der
Nutzbremsung des Motors muß die Steuerung aller Gefäße in der Weise verändert werden,
daß die beim Treiben des Motors bezüglich der Netzspannung als Gleichrichter und
bezüglich der Motorspannung als Wechselrichter arbeitenden Gefäße nun bezüglich
der Netzspannung als Wechselrichter, bezüglich der Motorspannung als Gleichrichter
arbeiten. Da hierbei einerseits die Richtung der elektrischen Leistung sich umkehrt
und anderseits die Richtung des Stromes in den Gefäßen gleichbleibt, müßte die Zündung
der Gefäße nun bei umgekehrter Spannung erfolgen, also gegenüber dem bisher betrachteten
Betriebsfall um 180° el. sowohl bezüglich der Netzspannung als auch bezüglich der
Motorspannung verschoben werden. Mit Rücksicht auf die natürliche Kommutierung im
Wechselrichterbetrieb muß aber diese Verschiebung bekanntlich kleiner als 180° bleiben.
Es muß somit dem Steuergitter jedes Gefäßes eine zweite Steuerspannung zugeleitet
werden. Diese kann die andere Steuerspannung niemals überdecken und nicht stören.
Dementsprechend wird das Gitter des Gefäßes 13 außer von einem Kontakt des Kontaktapparates
18 auch von einem Kontakt des Kontaktapparates 27 gesteuert, welcher bezüglich der
Netzfrequenz um 180° e1. versetzt ist und dessen Bürste von einem ebenfalls um 180°
bezüglich der Motorfrequenz verschobenen Kontakt des Kontaktapparates 31 gespeist
wird. Die Doppelbürste des Kontaktapparates 31 ist dabei gegenüber derjenigen des
Kontaktapparates 30 um den doppelten Betrag der für eine sichere natürliche Kommutierung
bezüglich der Motorspannung bei Wechselrichterbetrieb nötigen Zündvoreilung verschoben.
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Bei der beschriebenen Steuerung arbeitet somit zu jeder Zeit die Hälfte
der stromführenden Gefäße mit künstlicher Kommutierung, so daß die angestrebte Verbesserung
des Leistungsfaktors infolge der damit verbundenen zusätzlichen kapazitiven Belastung
des Netzes erreicht wird, ohne daß die Zahl der Gefäße verdoppelt werden muß.
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Die Regulierung der Drehzahl und der Drehrichtung des Motors erfolgt
z. B. in der Weise, daß die Bürsten der Kontaktapparate 18 bis 23 und 24 bis 29
von je einem zum Netz synchron laufenden Synchronmotor angetrieben werden, welche
je über einen Drehtransformator gespeist werden, von denen einer gleichsinnig und
der andere gegensinnig zum Drehfeld gedreht wird und welche gemeinsam von einer
Einhebelsteuerung beherrscht werden.
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Die vorstehend beschriebene Einrichtung kann mit gleichem Resultat
auch in der Weise durchgeführt werden, daß die Gefäße der einen Stromrichtung bei
Gleichrichterbetrieb mit natürlicher und bei Wechselrichterbetrieb mit künstlicher
Kommutierung betrieben werden, die Gefäße der anderen Stromrichtung aber bei Gleichrichterbetrieb
mit künstlicher und bei Wechselrichterbetrieb mit natürlicher Kommutierung. In diesem
Falle würden z. B. die Gefäße in Abb. 3 unabhängig von der Energierichtung dauernd
mit Nacheilung, diejenigen der rechten Seite dauernd mit Voreilung kommutieren.
Das Verhalten bezüglich des Leistungsfaktors ist dasselbe, wie vorher beschrieben.
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Die Glättungsdrossel in Fig. 3 dient sowohl zur Glättung der von den
Gefäßen erzeugten ideellen Gleichströme als auch zur Begrenzung der bei Rückzündung
auftretenden Kurzschlußströme.
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Im Ausführungsbeispiel sind zur Erleichterung des Verständnisses für
die Erzeugung der Gittersteuerimpulse Kontaktapparate gewählt. Für die praktische
Ausführung kommen Schaltungen bekannter Art in Betracht, welche ohne bewegliche
Kontakte arbeiten und dasselbe Resultat ergeben.