Bei der Erprobung von Umrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis
für größere Leistungen z.B. 200 K',J wurde nun gefunden, daß es zweckmäßig-seixi
kann, den Umsehwingstrom des Kommutierungskonden-
Bators zu vermindern
und damit zugleich die trombelastung der Löschthyristoren zu verringern. .Dann kann
der gesamte Umschwingkrei.s für eine geringere Strombelastung ausgelegt werden.
Für Fviaschinen großer Leistung ist zur Lösung dieser Aufgabe bereits vorgeschlagen
worden (Pätentanmeldung S 111 635 VIIIb/21g -PLA 67/1453) sowohl die stromabhängige
Ladeenergie der Kommutierungsdrouseln zu vermindern als auch eine ausreichende Schonzeit
für die Hauptventile zu gewährleisten, indem die Induktivität der Drosseln vermindert
wird und ein Teil der erforderlichen Kommutierungsinduktivität als UmschwinginduktivitC;t
im Löschkreis des entsprechenden Hauptventils angeordnet wird-. Mit dieser Maßnahme
wird zugleich auch die Spannungsbeanspruchung der Hauptventile vermindert. Man kann
auch ohne Ladedrossel in den Gleichstromzuleitungen auskommen, wenn die gegenparallel
zu den Hauptventilen angeordneten Freiiaufventile steuerbar sind und die Kommutierungskondensatoren
über den Lastkreis umgeladen werden. In einer bekannten Anordnung können die Kondensatoren
unabhängiv von der Größe der veränderbaren Eingangsgleichspannung immer auf ihre
Nennspannung aufgeladen werden, indem die Ansteuerung der Freilaufventile verzögert
wird. Der Laststrom kommutiert dann erst auf den Freilaufkreis, wenn er den betreffenden
Kommutierungskondensator auf seinen Nennwert umgeladen hat. Es wird somit zwar die
Nachladung des Kommutierungskondensators unabhängig von der Höhe der Eingangsgleichspannung
gewährleistet, jedoch wird das Weiterfließen des Laststromes über den Freilaufkreis
während der Umschwingung der Kondensatorspannung verhindert.
Diese
bekannte Anordnung hat somit gegenüber der Anordnung nach dem erwähnten früheren
Vorschlag den Nachteil, daß eine "symmetrische freilaufende Stromführung" der Freilaufventile
und der Hauptventile nicht möglich ist. Ein verzögertes Aussteuern der Freilauf
thyristoren bewirkt ferner insbesondere bei kleinen Streureaktanzen' der angeschlossenen
Drehstrommaschine eine Unruhe beim Betrieb der Maschine. Die symmetrische freilaufende
Stromführung ist aber eine wichtige Forderung für einen stabilen Betrieb einer stromrichtergespeisten
Drehstrommaschine. Betrachtet man den zeitlichen Verlauf der Sternspannung und des
Leiterstromes einer angeschlossenen Maschine und nimmt man die Symmetrieachse einer
Halbschwingung der Sternspannung als Bezugspunkt für den Maschinenstrom, so ergibt
sich z.B. im Leerlauf eine Nacheilung der Symmetrieachse des Stromes um 900. Die
positive Stromzeitfliche links von der ;D'ymmetrieachse wird jeweils von den Hauptventilen
übernommen, die während ihrer Stromführungsdauer den Pluspol der Gleichspannungsquelle
an den Verbraucher schalten. Die anschließende positive Stromzeitfläche rechts von
der Symmetrieachse ist der Anteil des Maschinenstromes, den die Freilaufventile
übernehmen. Während der Stromführung dieser Freilaufventile wird der Minuspol der
Gleichspannungsquelle an den Verbraucher gelegt. Die Stromführungsdauer der Hauptventile
und der Freilaufventile entsprechen somit im Leerlauf jeweils einem Winkel von 900.
Es tritt also im Leerlauf nur ein Energieaustausch zwischen den magnetischen Energiespeichern
der Last
und dem elektrischen Energiespeicher im Eingangskreis auf.
Diesen Energieaustausch ermöglichen die Freilaufventile. Bei Verringerung der Phasenverschiebung,
d.h. Motorbetrieb, übernehmen die Hauptventile den wesentlichen Anteil der Stromführung.
Hierdurch verschiebt sich der ichwerpunkt der Stromzeitfläche gegenüber der Symmetrieachse
nach links. Im Generatorbetrieb wird die Stromführung der Freilaufventile größerals
90o, wodurch sich die Stromzeitfl:iche gegenüber der Symmetrieachse nach rechts
verschiebt. ..ach der "r;'indung kann dieser Vorteil der symmetrischen freilaufenden
Stromführung durch eine besondere Betriebswelse der bekannten Anordnung mit Umladung
der Kommutierungskondensatoren Über den -uastkreis erhalten bleiben, wobei gleichzeitig
die Höhe der Kondensatorspannung unabhängig von der Zwischenkreisspannung auf eine::
für die Kommutierung erforderlichen Wert gehalten wird. Demgemäß betrifft die Erfindung
ein Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zur Zwangskommutierung in einer Anordnung
zur Steuerung der Drehzahl und ürehrichtung einer Drehstrommaschine, die über einen
selbstgeführten Stromrichter mit gesteuerten Hauptventilen in Drehstrombrückenschaltung
an eine Gleichspannungsquelle mit vorzugsweise verUnderbarer Spannung angeschlossen
ist. Den Hauptventilen ist jeweils sowohl eine Reihenschaltung eines gesteuerten
Kommutierungsventils mit einem Kondensator als auch ein gesteuertes Freilaufventil
parallelgeschaltet.
Die Erfindung besteht darin, daß dem Eingang
des Stromrichters eine eingeprägte Gleichspannung vorgegeben ist und jeweils nach
dem Erlöschen eines der Hauptventile beim Nulldurchgang der Kondensatorspannung
das an die Maschinenklemme des gelöschten Hauptventils angeschlossene und der Richtung
des Maschinenstromes zugeordnete Freilaufventil gezündet wird und die magnetische
Energie der angeschlossenen Maschinenwicklung zur Nach-. ladung des entsprechenden
Kondensators vorgesehen ist. Die eingeprägte Spannung ist vorzugsweise durch Speicherglieder
am Stromrichtereingang so geglättet, daß sie sich unabhängig von der Kommutierung
des angeschlossenen Stromrichters nicht ändert und auch bei verschiedenen i3et-r-iebszus
LÜnden der ani=e sc1.lo ; senen Maschine, z.B. im Motor- oder Generatorbetrieb,im
wesentlichen unverändert bleibt. Dieses Verfahren ermöglicht einen stabilen Betrieb
der stromrichtergespeisten Drehstrommaschine in einem weiten Frequenzbereich bei
wenigstens annähernd konstantem Luftspaltfluß. Durch das Umladen des Kommut ierungskondensators
über den Lastkreis wird die Strombelastung der Kommutierungsventile wesentlich vermindert.
Die Kommutierungseinrichtung kann somit für Antriebe größerer Leistung verwendet
werden. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen,
in der ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens schematisch
veranschaulicht ist. Nach der Figur ist eine Drehstrommaschine 2, vorzugsweise eine
Drehstromasynchronmaschine, über einen selbstgeführten --tromrichter
3
mit gesteuerten Hauptventilen 4 bis 9 in Drehstrombrückenschaltung, die vorzugsweise
Thyristoren sein können, an eine Gleichspannungsquelle mit vorzugsweise veränderbarer
Gleichspannung Ue angeschlossen. Als ,`i.nannungsquelle kann vorzugsweise ein netzgeführter
Stromrichter 36 oder auch eine Akkumulatorenbatterie mit einem nachgeschalteten
elektronischen Gleichstromsteller vorgesehen sein. Der Gleichstromkreis enthält
eine Glättungs°nduktivität 37. Dem Eingang des Stromrichters ist als Glättungsglied
ein Kondensator 38 parallelgeschaltet, welcher dem Stromrichter 3 eine eingeprägte
Spannung vorgibt und dessen Kapazit:it so gewählt ist, daß die Eingangsgleich-Spannung;
des Stromrichters 3 von der Spannungsquelle 36 entkoppelt ist und daß sich die Eingangsspannung
unabhängig von den Kommutierungsvore:iingen im Stromrichter 3 nicht wesentlich ändert.
Den Hauptventilen 4 bis 9 sind gesteuerte F'reilaufvezitile zugeordnet, die mit
10 bis 15 bezeichnet sind. Zur Kommutierungseinrichtung gehören ferner gesteuerte
Kommutierungsventile 22 bis 27 und Kommutierungskondensatoren 18 bis 20.. Zur Begrenzung
der Strom- und Spannungsanstiegsgeschwindigkeit im Kommutierungskreis können zweckmäßig
noch Begrenzungsdrosseln 28 bis 33 vorgesehen sein. Die Gleichstromeingangsleitungen
des Stromrichters 3 enthalten jeweils eine Drossel 34 und 35, um die Spannung der
Kommutierungskonderisatoren 18 - 20 auf einen unabhängig von der Eingangsgleichspannung
Ue gehaltenen Wert zu erhöhen. Bei einem Kommutisrungsvorgang wird nur das dem laststromführenden
Hauptventil zugeordnete Freilaufventil gezündet. Die im Kommutierungsaugenblick
in deal Induktivitäten
der Maschine gespeicherte magnetische Energie
wird zur Nachladung des Kommutierungskondensators und damit zur Deckung der Verluste
im Umschwingkreis verwendet. Wird der Maschinenstrom beispielsweise von den Hauptventilen
4 und 9 geführt und soll der Strom vom Ventil 4 auf das Ventil 5 kommutieren, so
wird das zugeordnete Kommutie rungsventil 22 gezündet. Der Kondensator 18 steilt
die Kommutierungsspannung für das Hauptventil 4 bereit und dieses erlischt. Nach
dem Erlöschen des Ventils 4 schwingt die Kondensatorladung über das Kommutierungsventil
22, die vom Laststrom durchflossenen Maschinenwicklungen und das Hauptventil 9 sowie
die beiden Induktivitäten 34 und 35 und den Eingangskondensator 38 um. Unmittelbar
nach dem Nulldurchgang der Kondensatorspannung erhält das Freilaufventil 13 einen
Zündimpuls. Das Freilaufven.il 13 übernimmt den Maschinenstrom, sobald das Potential
an der Maschinenklemme u hinreichend negativ gegenüber der rtingangsklemme N ist.
Jamit die erwähnte freilaufende Stromführung gew@ihrleistet ist, werden die Freilaufventile
so gesteuert, daß der Laschinenstrom ungehindert über die entsprechenden Haupt-
und Freilaufventile fließen kann. Zu diesem Zweck kann den Hauptventilen zweckmäßig
ein Steuerimpuls mit einer Länge entsprechend einem Winkel von etwa 180o und den
Freilaufventilen ein Steuerimpuls mit einer Länge entsprechend einem Winkel von
etwa 150o vorgegeben werden. Der Beginn des Steuerimpulses für das Freilaufventil
wird vom Nulldurchgang der Kommutierungsspannung an gezählt. Die Zündimpulslänge
für die Freilaufventile ist auf 1500 begrenzt, da die Freilaufventile durch den
Schwellspannungsabfall der Hauptventile ihre Sperrfähigkeit wiedererlangen müssen.
Während des Kommutierungsvorgan1,es
liegt somit über die Freilaufventile
11 und 13 die Eingangsgleichspannung Ue an den Klemmen u und v der angeschlossenen
Maschine. Es kann somit ein Teil der magnetischen Energie, die w;,3.hrend der Kommutierung
in den Induktivitäten der Maschine bereitsteht, in der Gleichspannungsquelle als
elektrische Energiegespeichert werden und der Rest dieser Energie steht zur Nachladung
des Kondensators 18 zur Verfügung, d.h. zur Deckung der ?TIri Schwingverluste. Dabei
fließt der Umladestrom des Kommutierungskondensator s weiterhin über die Drossel
34, das -b#@5schventil 22, die Maschinenklemmen u und w, sowie das Hauptventil 99,
die Drossel 35 und den Eingangskondensator 38. Die gesteuerten Freilaufventile sind
somit w#ihrend der Kommutierung als Energieweiche zu betrachten beim Energieaustausch
zwischen den magnetischen Energiespeichern der Maschine und den elektrischen Energiespeichern
in Forin des Eingangskondensators 38 und der Kommutierungskondensatoren
18 bis 24. Die Drosseln 34 und 35 in den Eingangsleitungen des Stromrichter
3 haben eine vorteilhafte 'dirkung auf den Kommutierungsvorgang. Beim Umladen des
Kommutierungskondensators liegt jeweils die Differenz zwischen dem Augenblickswert
der Kondensatorspannung und der Eingangsgleichspannung Ue an den Induktivitäten
34 und 35. Mit diesen Induktivitäten kann deshalb die Spannung der Kommutierungskondensatoren
unabhängig von der Eingangsgleichspannung Ue auf einem für die Kommutierung genügend
hohen Wert gehalten werden. Es wird somit auch bei veränderbarer Eingangsgleichspannung
eine ausreichende Kommutierungs-Spannung sichergestellt. Da nach dem Nulldurchgang
der Kondeneatorspannung das betreffende Freilaufventil bereits gezündet ist,
kann
der Maschinenstrom ungehindert auf das Freilaufventil über= gehen, wodurch eine
symmetrische freilaufende Stromführung des Stromrichters 3 gewährleistet ist.
Die Dämpfung des Umschwingkrei_ses bestimmt die Amplitude des Umschwingstromes:
Durch den verhältnismäßig großen 'Widerstand der angeschlossenen r"Taschine erhält
man auch eine entsprechend große Dämpfung im Umschwingkreis. Da bei einem Betrieb
der., . Kommutierungseinrichtung nach der Erfindung nur ein Teil der in der Maschine
gespeicherten magnetischen Energie als Nach-Ladeenergie zur Deckung der Verluste
des Umschwingkreises bereitsteht, ergibt sich ein verhältnismäßig kleiner LTberschwingfaktor,-das
ist das Verhältnis der Amplitude des Umschwingstromes zum Augenblickswert des Maschinenstromes
beim Beginn der Kommu-. tierurig. Mit einer Leistung von beispielsweise 200 kW der
angeschlossenen Drehstrommaschine 2 und einer Eingangsgleichspannung Von 500 V e=rhält
man mit dem Betriebsverfahren nach der Erfindung einen Uberschwingfaktor von etwa
1,4. - Die Strombelastung der Kommutierungsventile 22 bis 27 bleibt-somt entsprechend
gering. _ -Die Induktivitäten 34 und 35 haben außerdem noch den Vorzug,"daß
sie die Spannungsbeanspruchung der Haupt-. und .Freil-aufventile.. :,.._ : vermindern.
Beim Erlöschen eines der Hauptventile kann,-am, an die. gleiche Phase: der Maschine
angeschlossenen Hauptventil;= --nicht die volle Summe aus dem Augenblickswert der
_Kandensator'-Spannung und der E.@ngangsgleichspannung als Blockierspannung auftreten.