METHOD FOR NATURAL COMMUTATION PILOTED BY THE NETWORK OR LOAD

Abstract: A method is described for natural commutation, carried out by the network or load, of a direct converter (DU) between an M-phase network at the frequency F and an m-phase load at the frequency f, especially of an electrical machine. The direct converter (DU) comprises 2 x M x m thyristors, which directionally connect each network phase to each load phase. The method according to the invention is that, in essence, there are always only two thyristors TX,y and Tx,Y which simultaneously carry current from a network phase X to a load phase y and from a load phase x to a network phase Y. In this arrangement, the thyristors are triggered as a function of the phase of the network voltage and of the load voltage. The method allows a continuous change of the load frequency and of the load voltage from zero up to the network frequency or network voltage. <IMAGE>

Description: Beschreibung Verfahren zur natürlichen, netz- oder verbrauchergeführten Kommutierung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur natürlichen, netz- oder verbrauchergeführten Kommutierung eines Direktumrichters, geschaltet zwischen einen M-phassigen Netz mit der Frequenz F und einem m-phasigen Verbraucher mit der Frequenz f, insbesondere einer elektrischen Maschine, wobei der Direktumrichter 2 M m Thyristoren umfasst, die jede Netzphase mit jeder Verbraucherphase bidirektional verbinden. Ein derartiger Umrichter ist beschrieben in G. Möltgen, "netzgeführte Stromricher mit Thyristoren (Verlag Siemens AG, Berlin und München, dritte Auflage 1974, Kapitel 29, S. 291-299). Die Schaltung dort (Bild 225) umfasst neben drei dreiphasigen Trenntransformatoren sechs vol lgesteuerte Drehstromrichterbrücken mit insgesamt 36 Thyristoren. Für den Fall ohne Sternpunktleiter umfasst die Schaltung dort (Bild 226) drei Trenntransformatoren mit drei im Dreieck gestaltete Drehstromrichterbrücken mit insgesamt 18 Thyristoren. In Bödefeld/Sequenz "Elektrische Maschinen" (Springerverlag 1981, S. 262, Abb. 3.74) ist ein Direktumrichter mit variabler Frequenz und Spannungsamplitude zum Betrieb einer dreiphasigen Synchronmaschine beschrieben. Jede der drei Maschinenwicklungen wird seperat von zwei antiparallel geschalteten, vollgesteuerten Drehstromrichterbrücken (Umkehrstromrichter) gespeist, wobei die Wicklungen untereinander keine galvanischen Verbindungen aufweisen. Zwischen Direktumrichter und Drehstromnetz sind ebenfalls dreiphasige Trenntransformatoren geschaltet. Ähnliche Schaltungen werden in R. Jäger, "Leistungse-lektronik Grundlagen und Anwendungen" (VDE-Verlag 1977, S. 248-250) sowie in K.Bystorn "Leistungselek- tronik" (Band II, Hanser -Verlag München und Wien 1979, S. 310-313) beschrieben. Alle diese Schaltungen weisen den gravierenden Nachteil auf, dass im Falle einer dreiphasigen Ausführung lediglich Ausgangsfrequenzen bis zu höchstens 40Z der Eingangsfrequenz gefahren werden können. Bei einem Netz mit einer Frequenz von 50 Hz können mit solchen Umrichtern also maximal etwa 20 Hz erzeugt werden. Ferner sind in der Regel Trenntransformatoren zwischen Netz und Umrichter geschaltet, um interne Kurzschlüsse im Direktumrichter zu vermeiden. Allerdings stellen diese Trenntransformatoren einen erheblichen zusätzlichen Aufwand dar, zumal sie für die volle Leistung auszulegen sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur natürlichen Kommutierung eines Direktumrichters der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine kontinuierliche Änderung der Verbraucherfrequenz bzw. der Verbraucherspannung von Null bis zur Netzfrequenz bzw. bis zur Netzspannung ermöglicht. Der Direktumrichter soll dabei mit einer geringen Anzahl von Thyristoren ohne Verwendung weiterer, zwischen Netz und Umrichter und/oder zwischen Umrichter und Verbraucher zu schaltender Energieumformer (z.B. Trenntransformatoren) betreibbar sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Demnach führen also - abgesehen von kommutierungsbedingten tiberlappungsphasen - im wesentlichen immer nur zwei Thyristoren Tx,y und Tx,y gleichzeitig Strom. Mit TX y bzw. Tx y sind diejenigen Thyristoren bezeichnet, deren Anode mit der Netzphase X und deren Kathode mit der# Verbraucherphase y bzw. deren Anode mit der Verbraucherphase x und deren Kathode mit der. Netzphase Y galvanisch verbunden sind. Für das erfindungsgemässe Kommutierungsverfahren ist ferner wesentlich, dass jede Netzperiode 1/F bzw. Verbraucherperiode l/f jeweils in maximal 2 M bzw. 2^ m Zeitintervalle J bzw. j unterteilt wird. Die Zeitintervalle J = 1... 2 M bzw. j = 1... 2. m sind dabei zur verketteten Spannung u1,11 bzw. ul 2 des Netzes bzw. Verbrauchers synchronisiert. Dementsprechend werden im folgenden ein Netzsynchronisierungswinkel PHI bzw. ein Verbrauchersynchronisierungswinkel phi eingeführt. Für den Netzsynchronisierungswinkels PHI gilt: (1) PHI = 2. pi ¯F. t = arc sin (u1,11/U1,11)+GAMMA mit pi = 3,14 Hierbei ist u, IT der Momentanwert der Grundschwingung der verketteten Netzspannung, UI,II die Amplitude der verketteten Netzspannung zwischen den Netzphasen I und II. Für GAMMA gilt: (2) GAMMA = B + A, wobei mit B ein fester Netz-Versatzwinkel (rad.) gemeint ist, der zur einmaligen Synchronisation von PHI mit u1,11 dient. A steht für den Steuerwinkel (rad.), der die Steuerung des Verhältnisses der Verbraucherspannungsamplitude zur Netzspannungsamplitude bzw. des Stromes und der Leistung bei Netzkommutierung ermöglicht. Analog gilt für den Verbraucher-Synschronisierungswinkel (rad.): (3) phi = 2. pi ¯f¯t = arc sin (u1,2/U1,2)+gamma Hierbei sind ul,2 der Momentanwert der Grundschwingung der verketteten Verbraucherspannung, und U1,2 die Amplitude der verketteten Verbraucherspannung zwischen den Verbraucherphasen 1 und 2. Der Winkel gamma, der einen Verbraucher-Versatzwinkel (rad.) darstellt, ist wie folgt definiert: (4) gamma = beta + alpha, wobei beta der feste Verbraucherversatzwlnkel (rad.) ist und zur einmaligen Synchronisation von phi mit u dient. Der Steserwinkel alpha (rad.) dient zur Steuerung des Verhältnisses der Verbraucherspannungs- amplitude zur Netzspannungsamplitude bzw. des Stromes und Leistung bei Verbraucherkommutierung. Während des Überlappungszeitraumes zwischen dem Netzperiodenintervall J und dem Verbraucherperiodenintervall j werden die beiden Thyristoren Tx,y und Tx,y zur Zündung freigegeben. Die Zündung selbst erfolgt jeweils zu Beginn des Überlappungszeitraumes. Die Ermittlung der Zah#en X,Y zur Auswahl der zu zündenden Thyristoren in Abhähgigkeit vom Netz synchronisierungswinkel PHI gem. Gleichung (1) kann insbesondere entsprechend dem nachstehenden als rekursiver Algorithmus dargestellten Prinzip erfolgen: Algorithmus in PASCAL-ähnlicher Notation: procedure netzsynchronisierte Kommutierung; const pi = 3.14; integer M,J, X,Y; comment Netzphasen, Zeitinter vall, Bezeichnung für die Netz phasen; radiant PHI; comment Netzsynchronisierungswinkel; real F,t; comment Netzfrequenz, Echtzeit; begin M:=Anzahl der Netzphasen; F:=Netzfrequenz; J:=1; while J=J do comment Endlosschleife; begin X:=trunc (0,5(J+1)); if not odd(M) then if J < = (N+l) then Y: = trunc (0,5(M+J)) else Y: = trunc (0,5(M+J3-M) else if J < = M then Y: = trunc (0,5(M+J+1) else Y: = trunc (0,5(M+J+1)-M); comment Warteschleife bis zum nächsten Intervall; repeat begin t: = echtzeituhr; PHI:= 2. pi ¯ F¯ t end until PHI > J. pi/M; J:= J+1; if PHI > = 2- pi then reset echtzeituhr; end end procedure. Mit der darin verwendeten Funktion v = trunc (w) wird jeder rationalen Zahl bzw. jedem Dezimalbruch w grösser als Null die grösste ganze Zahl v, die kleiner oder gleich w ist, zugeordnet (vgl. Jensen /Wirth "PASCAL User Manual and Report', 2nd edition, 1978, Seite 13). Der obige Algorithmus, der zur prinzipiellen Verdeutlichung eines erfindungsgemässen Merkmals, nicht aber als ablauffähiges Rechenprogramm dienen soll, ermöglicht die Ermittlung der Netzphasen X bzw. Y, die mit den entsprechenden Verbraucherphasen y bzw. x über dazwischengeschaltete Thyristoren zu verbinden sind. Die Verbraucherphasen y bzw. x können analog in Abhängigkeit vom Verbrauchersynchronisierungswinkel phi gem. Gleichung (3) ermittelt werden, indem im obigen Algorithmus y anstelle von X bzw. x anstelle von Y eingesetzt wird. Ferner sind m, j, f bzw. phi anstelle von M, J, F bzw. PHI einzusetzen. Das erfindungsgemässe Kommutierungsverfahren kann also z.B. mittels zweier, unabhängig voneinander ablaufender Rechnerprogramme oder mittels zweier nahezu identischer Rechenschaltungen realisiert werden, die nach weitgehend gleicher algorithmischer Struktur jeweils die netzsynchronisierte und die verbrauchersynchronisierte Kommutierung berechnen. Natürlich sind auch Abwandlungen des obigen Algorithmus zur Berechnung der Zahlen X,Y,x,y für die Zündung des Thyristorpaars TX ys Tx y denkbar, die dennoch im Rahmen des allgemeinen Erfindungsprinzips liegen, sofern die Ermittlung des Thyristorpaars in Abhängigkeit vom genannten Netz- bzw. Verbrauchersynchronisierungswinkel erfolgt, und die Freigabe zur Ansteuerung der beiden Thyristoren im Überlappungszeitraum der genannten Netz- bzw. Verbrauchersynchronisierungsintervalle bewirkt wird. So ist im beiliegenden Bild 1 eine gegenüber dem obigen PASCAL-Algorithmus abgewandelte Ablauflogik in Form eines Flussdiagramms dargestellt, nach deren Prinzip die Zahlen X,Y ebenfalls erfindungsgemäss berechnet werden können. Zur Berechnung der Zahlen x, y für die Verbraucherphasen sind, wie oben beim PASCAL-alinlich notierten Algorithmus, die mit Kleinbuchstaben bezeichneten Grössen anstelle der mit Grossbuchstaben bezeichneten einzusetzen. Aus dem Flussdiagramm ist insbesondere die Bestimmung des Netz- bzw. Verbraucherperiodenintervalls J bzw. j in Abhängigkeit vom entsprechenden Synchroni sierungswinkel erkennbar. Zur Verringerung des Oberwellengehaltes der Ströme werden die Zeitintervalle j entsprechend dem Ver braucher-Synchronisierungswinke0s phi bzw. J entsprechend dem Netz-Synchronisierungswinkels PHI jeweils mit einer Sperrzeit TAU bzw. tau versehen, während der keine Thyristoren gezündet werden. Die Sperrzeit tau für das Verbraucherperiodenintervall j ergibt sich aus (5) tau = 1/4- M. F. Analog gilt für die Sperrzeit TAU im Netzperiodenintervall J: (6) TAU = 1/4. m¯f. Die Sperrzeiten sind ferner von einem Sperrwinkel delta (radiant) bei Netzkommutierung bzw. einem Sperrwinkel DELTA (radiant) bei Verbraucherkommutierung ablei:#ar. Für den Sperrwinkel delta bei Netzkommutierung gilt: (7) delta = pi- f/2 M- F Bei Verbraucherkommutierung wird delta gleich Null gesetzt. Für den Sperrwinkel DELTA bei Verbraucherkommutierung gilt dann: (8) DELTA = pi. F/2. m .f, wobei bei Netzkommutierung DELTA gleich Null gesetzt wird. Um beispielsweise in einer als Verbraucher betriebenen elektrischen Mschine die induzierte Spannung (elektromotorische Kraft - Es}\) zwecks Feldschwächung reduzieren zu können, ist gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das erfindungsgemässe Verfahren einer Sehnung zugänglich: Bei der Ermittlung der Zahlen X,Y bzw. x, y werden die Zahlen X bzw. Y um die Zahl N, die Zahlen x, y um n vergrössert oder verkleinert. Dabei sind n bzw. N positive ganze Zahlen zwischen null und im wesentlichen der Hälfte der Anzahl der Netzphasen bzw. Verbraucherphasen. Betreibt man einen m-phasigen Verbraucher wie z.B. eine elektrische Maschine so, als hätte sie weniger als m Phasen, so lässt sich dadurch deren Drehzahl erhöhen. Durch Halbierung, Drittelung usw. der Phasenzahl m der Verbrauchermaschine lässt sich deren Synchrondrehzahl verdoppeln, verdreifachen usw. Dem dient eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens, wonach dem Verfahrensalgorithmus anstelle der tatsächlichen Netz- bzw. Verbraucherphasenzahl M bzw. m demgegenüber vorzugsweise halbierte, gedrittelte usw. Phasenzahlen M' bzw. m' vorgegeben werden. Bezüglich weiterer Ausbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemässen Verfahrens wird auf die Unter ansprüche und auf die nachfolgende Erläuterung der Erfindung an Hand der Zeichnung verwiesen. Es zeigen Bild 1 ein Flussdiagramm für eine Ablauflogik zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens; Bild 2 einen Direktumrichter mit natürlicher Kommu tierung für ein M-phasiges Netz und einen m-phasigen Verbraucher zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens; Bild 3 einen Direktumrichter mit natürlicher Kommutie- rung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens für ein dreiphasiges Netz und einen dreiphasigen Verbraucher; Bild 4 die graphisch ermittelten Spannungsverläufe u1,2, u2,3, und u3,1 bei f = 0,26 F und M=m=3; ; Bild 5 graphisch ermittelte Spannungsverläufe ul,2, U2 3 und u3 1 bei f = 0,71 F und M=m=3; Bild 6 graphisch ermittelte Spannungsverläufe u 1,2' U2 3 und u3 1 bei f = F und M=m'=3; Bild 7 Strom- und Spannungsverläufe bei f = F. In Bild 1 ist die Schaltung des Direktumrichters für ein M-phasiges Netz und einen m-phasigen Verbraucher dargestellt. Das gleichzeitig stromführende Thyristorpaar TX y und T ist mittels schwarz ausgefüllter Schaltsymbole deutlich hervorgehoben. In Bild 2 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem dreiphasigen Netz (M = 3) und einem dreiphasigen Verbraucher (m = 3) bei Netzkommutierung gezeigt. Die dazugehörige Schaltung des Direktumrichters umfasst die 2' M .m = 2 3.3 = 18 Thyristoren. Mit Hilfe des oben angegebenen Verfahrensalgorithmus lassen sich hierfür die Zündbedingungen der einzelnen Thyristoren in Abhängigkeit vom Netz- bzw. Verbraucher-Synchronisierungswinkel PHI bzw. phi ermitteln. Ferner können in den Ausführungsbeispielen noch Sperrzeiten tau für den Fall netzgeführter Kommutierung eingeführt sein, wobei die obere zeitliche Grenze des Verbraucherperiodenintervalls j um tau vermindert ist mit der Folge, dass die Zeitspanne für die Zündung von Thyristoren verringert ist. Die Steuerung der Verbraucherspannung kann dadurch erfolgen, dass der Netz-Synchronisierungswinkel PHI gegenüber der Grundschwingung der verketteten Netzspannung um 11 verschoben wird, indem der Steuerwinkel A gemäss obiger Gleichung (2) in Verbindung mit obiger Gleichung (1) verändert wird. In den Bildern 3, 4 und 5 sind die entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren graphisch ermittelten Spannungsverläufe u 1,2' u 2,3 und u3 1 jeweils für f = 0,26 F, f = 0,71 F und f = f dargestellt. Die Netzfrequenz kann dabei z.B. F = 50 Hz betragen. Die Ausgangsspannung wurde entsprechend der Ausgangsfrequenz abgesenkt, da diese Relation für den Betrieb elektrischer Drehfeldfmaschinen typisch ist. Die senkrechten, durchgezogenen und die vier waagrechten Zeitachsen kreuzenden Linien in den Bildern 3 - 5 begrenzen beidseitig je ein Zeitintervall J, das bei 2 @ M = 2 . 3 = 6 Zeitintervallen pro Netzschwingungsperiode 600 entspricht. Die senkrechten, gestrichelten und die vier Zeitachsen kreuzenden Linien in den Bildern 3 und 4 geben die Zündzeitpunkte der entsprechenden Thyristoren an, wobei zur Verringerung des Oberwellengehalts der Ströme die genannte Sperrzeit tau berücksichtigt wurde. Die bei f = F erzielten Spannungs- bzw. Stromverläufe verlaufen bei induktiver Last gem. Bild 6. Das vorgeschlagene Kommutierungsverfahren ist vorzugsweise auf einen polygonal verschalteten Verbraucher anzuwenden. Solchenfalls verlaufen die Ströme in den Verbraucherwicklungen der Dreieckschaltung gem. Bild 2 (i1,2, i2 3 und i3 1) ungefähr wie in Bild 6 gezeigt. Ferner finden gem. Ausführungsbeispiel nach Bild 6 die zu zündenden Thyristoren immer eine positive Anoden-Kathodenspannung vor, wenn der Lastphasenwinkel psi kleiner als 60 , d.h. dessen Kosinus grösser als 0,5 ist. Der damit erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass für weite Bereiche der elektrischen Antriebstechnik (z.B. Drehzahl steuerungen von Pumpen oder Ventilatoren, die von Asynchron-Kurzschlussläufer-Motoren angetrieben werden) der mit dem erfindungsgemässen Verfahren betriebene Umrichter keine Einrichtung zur Stromrichtungs-Erfassung benötigt, anders als bei allen bisher bekannten Direktumrichtern mit natürlicher Kommutierung, die zur Stromrichtungserfassung beispielsweise HALL-Wand ler verwenden. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht in der steuerungstechnisch einfach zu realisierenden Möglichkeit, nach Erreichen der Netzfrequenz (f = F) und der Netzspannung (U1,2 = U 1,11) > den Verbraucher mittels eines Schützes direkt ans Netz zu schalten und dadurch den Direktumrichter zu überbrücken, da gem. Bild 5 bereits eine Synchronisation zwischen Netz- und Verbraucherspannung vorhanden ist.

Claims: Method for natural commutation, piloted by the network or load, of a direct converter which is wired between an M-phase network with the frequency F and an m-phase load with the frequency f, especially an electrical machine, whereby the direct converter comprises 2xMxm thyristors connecting bidirectionally each network phase with each load phase, characterised in that, the network periods 1/F and the load periods 1/f respectively are divided synchronously with the voltage between the first and the second phases of the network and the load respectively into 2xM rsp. 2xm equally long time intervals J rsp. j, whereby J rsp. j are integer figures between one and 2xM rsp. between one and 2xm, and in that in the overlapping period of two intervals J and j a pair of thyristors T X,y and T x,Y , which simultaneously can conduct current from a network phase X to a load phase y and from a load phase x to a network phase Y, is being set free for firing, whereby x = trunc (0.5x(J + 1)), y = trunc (0.5x(j + 1)) and if m rsp. M are even numbers, x = trunc (0.5x(m + j)) rsp. Y = trunc(0.5x(M + J)) if j rsp. J are smaller or equal m + 1 rsp. M + 1, otherwise x = trunc(0.5x(m+j)-m) and Y = trunc(0.5x(M+J)-M), whereas, if m rsp. M are odd numbers x = trunc(0.5x(m+1+j)) rsp. Y = trunc(0.5x(M+1+J)) if j rsp. J are smaller or equal m rsp. M, otherwise x = trunc(0.5x(m+1+j)-m) rsp. Y = trunc(0.5x(M+1+J)-M). Method according to claim 1, characterised in that, in case of a commutation piloted by the network each load period intervall j is blocked for a blocking time tau = 1/4xMxF, during which the firing of the thyristors is blocked. Method according to claim 1, characterised in that, in case of a commutation piloted by the load each line period intervall J is blocked for blocking a time TAU = 1/4xmxf, during which the firing of the thyristors is blocked. Method according to claims 2 or 3, characterised in that, the blocking times tau rsp. TAU terminate simultaneously to the intervals j rsp. J. Method according to one of the claims 1 to 4, characterised in that, at the determination of the figures X,Y rsp. x,y, the values x rsp. y are increased or decreased by n, and/or the values X rsp. Y are increased or decreased by N, whereby n and N are positives integer numbers essentially ranging between zero and 0.5xm rsp. 0.5xM if m rsp. M are even figures, and between zero and 0.5x(m+1) rsp. 0.5x(M+1) if m rsp. M are odd numbers. Method according to the preambel of claim 1, characterised in that, the network periods 1/F and the load periods 1/f respectively are divided synchronously with the voltage between the first and the second phases of the network and the load respectively into 2xM' rsp. 2xm' equally long time intervals J rsp. j, whereby M' = trunc(M/s) and m' = trunc(m/s) with s as a natural figure greater than one, and J rsp. j are integer figures between one and 2xM rsp. 2xm, and in that in the overlapping period of two intervals J and j a pair of thyristors T X,y and T x,Y , which simultanously can conduct current from a network phase Y to a load phase y and from a load phase x to a network phase Y, is being set free for firing, whereby x = trunc(0.5x(J+1)), y = trunc(0.5x(j+1)) and, if m' rsp. M' are even numbers, x = trunc(0.5x(m'+j)) rsp. Y = trunc(0.5x(M'+J) if j rsp. J are smaller or equal m'+1 rsp. M'+1, otherwise x = trunc(0.5x(m'+j)-m) and Y = trunc(0.5x(M'+J)-M), whereas, if m' rsp. M' are odd numbers, x = trunc(0.5x(m'+1+j)) rsp. Y = trunc(0.5x(M'+1+J)) if j rsp. J are smaller or equal m' rsp. M', otherwise x = trunc(0.5x(m'+1+j)-m) rsp. Y = trunc(0.5x(M'+1+J)-M).

Inventors: HIENZ, GEORG, DIPL.-ING.
Applicants: HIENZ, GEORG, DIPL.-ING.
Application year: 1986
Main classification: H02M5
IPC codes: H02M5