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Verfahren zum Betriebe gittergesteuerter Stromrichter od. dgl. Gittergesteuerte
Stromrichter werden in der Regel mit sogenannter Anschnittsteuerung betrieben, indem
der Zündzeitpunkt jeder einzelnen Anode gegenüber dem Zeitpunkt der Spannungsgleichheit
in jeder Periode um einen mehr oder weniger großen Winkel a verzögert wird. Änderungen
des Aussteuerungsgrades werden durch stetige Verschiebung der Zündzeitpunkte zwischen
den Endlagen der Vollaussteuerung (a = 0) und der höchstzulässigen Wechselrichteraussteuerung
(a,..,), welche durch die Trittgrenze bzw. den notwendigen Sicherheitsabstand von
der Stellung a = 180' gegeben ist, herbeigeführt. amax beträgt normalerweise
bei Vollast etwa 1501, bei Teillast kann er näher an 180' herangerückt
werden. Im umfangreicheren Betriebseinheiten mit größerer Anodenzahl hat man häufig
zwecks Blindleistungsersparnis eine unsymmetrische Steuerung angewendet, bei welcher
nicht sämtliche Anoden gleichzeitig und in gleichem Maße, sondern einzelne Gruppen
oder selbst einzelne Anoden bzw. Gefäße nacheinander bis zur völligen Sperrung herabgesteuert
werden. Auch in diesen Fällen wird aber bei jeder einzelnen Anode der Zündzeitpunkt
zwischen zwei Endlagen durch alle Zwischenstellungen hindurch stetig verstellt.
Dazu sind verhältnismäßig umständliche Steuereinrichtungen mit Steuerspannungen
verschiedener, teilweise schwierig zu erzeugender Kurvenforin erforderlich, besonders
wenn der Stromrichter zur Speisung drehzahlgeregelter Motorantriebe dient. Demgegenüber
wird mit der Erfindung eine wesentliche Vereinfachung erzielt.
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Die Erfindung bezieht sich demzufolge auf ein Verfahren zum Betriebe
gesteuerter Stromrichter mit elektronischen Steuerelementen zur Änderung des Aussteuerungsgrades
durch Verstellung derZündzeitpunkte, insbesondere zur Speisung geregelter Motorantriebe.
Erfindungsgemäß wird die Steuerung auf zwei ausgewählte Zündwinkelwerte, einen im
Gleichrichtergebiet und einen im Wechselrichterbetrieb, beschränkt und durch einen
elektronischen Regler bei jedem Vorzeichenwechsel der Regelabweichung ein praktisch
trägheitsloser sprunghafter Wechsel der Zündlage von dem einen zu dem anderen Winkelwert
bzw. umgekehrt in extrem kurzen Zeitabständen bis herab zu einem Bruchteil einer
Wechselspannungsperiode ermöglicht.
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Diese Steuerung ist wesentlich einfacher als die bisher üblichen Verfahren,
und man kommt daher auch mit einer einfacheren Steuereinrichtung aus. Ferner kann
der Blindleistungsbedarf des Stromrichters in seinem gesamten Steuerbereich erheblich
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ringer gehalten werden. Ein weiterer Vorteil des neuen Steuerverfahrens
besteht darin, daß bei Schaltungen mit größerer Pulszahl die der Pulszahl entsprechenden
Komponenten des Oberschwingungsspektrums gleiche Phasenlagen haben. Andere, der
Pulszahl fremde Komponenten treten nur mit kleinen Effektivwcrten auf. Der geringste
Blindleistungsbedarf unter sonst gleichen Verhältnissen kann dadurch erzielt werden,
daß als ausgewählte Zündwinkelwerte, mit denen die Steuerung arbeitet, die beiden
extremen Werte der VoRaussteuerung als Gleichrichter (a = 0) und die höchstzulässige
Wechselrichteraussteuerung (a = a.".,) festgelegt werden. Durch eine stromabhängige
Beeinflussung des Sicherheitsabstandes 1801 -a"", kann der Wechselrichterbereich
optimal ausgenutzt werden.
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Die Steuerung kann vorteilhaft als an sich bekannte Impulssteuerung
ausgebildet sein, welche für jede Anode in jeder Wechselspannungsperiode zwei Impulse
mit fester Phasenlage, z. B. a - 0' und a = 150' bereithält. Einer
dieser Zündimpulse wird jeweils durch den Regler unterdrückt, je nachdem,
ob in dem betreffenden Zeitpunkt der Istwert, d. h. der zeitliche Mittelwert
der Meßgröße (Spannung oder Strom auf der Gleichstromseite) kleiner bzw. größer
ist als der vorgegebene Sollwert. Solange der Sollwert bei Speisung des Verbrauchers
mit Gleichstrom unterschritten wird, kommt bei jeder Anode der Zündimpuls, zur Zeit
a = 0, zur Wirkung. In diesem Falle braucht der andere Impuls, der bei a
= 150'
liegt, nicht einmal unterdrückt zu werden, weil er dann an dem vorhandenen
Betriebszustand des Ventils ohnehin nichts ändern kann. Wird jedoch der
Sollwert
überschritten, so wird durch den Regler der erste Impuls bei a = 01 unterdrückt,
so daß nur der zweite bei a = 150' zur Wirkung kommt und einen Brennabschnitt
einleitet, in dem das betreffende Ventil im Wechselrichterbetrieb arbeitet. Dadurch
wird der zeitliche Mittelwert der gemessenen Größe auf der Gleichstromseite wieder
vermindert und so dem Sollwert angenähert. Die vorbesehriebene Betriebsart entspricht
beispielsweise dem Anlassen eines Gleichstromantriebsmotors, der Drehzahlsteigerung
und dem Fahren mit Last. Der Betrieb mit Bremsung und Drehrichtungsumkehr kann daraus
ohne weiteres unter Benutzung bekannter Verfahren und Schaltungen abgeleitet werden
und kann durch entsprechende Verstellung des Sollwertes der Stellgröße herbeigeführt
werden.
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In der Zeichnung ist in den Fig. 1 bis 3 die Bildung
der Gleichspannung in einem Dreiphasensystern bei Steuerung mit a = 0' und
a = 1501 durch drei Kurvenbilder beispielsweise für drei theoretische Sonderfälle
veranschaulicht, welche verschiedenen Verhältniswerten der tatsächlich abgegebenen
mittleren Gleichspannung Ug zu dem bei Vollaussteuerung a = 01 erreichten
Gleichspannungsmittelwert U,() entsprechen. Fig. 1 gilt für Ug: U,0 =
0,158. Dabei umfaßt ein Brennfolgezyklus jeweils vier Perioden
= 8,7. Fig. 2 gilt für Ug: Ug 0 0,25. Dabei umfaßt ein Brennfolgezyklus
jeweils zwei Perioden = 4,-z. Fig. 3 gilt für U,: Ugo =
0,5. Dabei umfaßt ein Brennfolgezyklus jeweils eine Periode = 2-r, wobei
eine der drei Phasen überhaupt nicht beteiligt ist. In der Praxis werden die dargestellten
stationären Zustände nicht auftreten, weil schon durch kleinste Schwankungen der
Speisespannung oder der Belastung Unregelmäßigkeiten hervorgerufen werden. Infolgedessen
kommt jeder Gleichspannungswert durch eine statistische Mittelwertsbildung auf Grund
der wahrscheinlichsten Zündfolge zustande. Ein so gesteuerter Stromrichter hat im
gesamten Spannungsbereich einschließlich des Wechselrichterbetriebes nahezu die
gleiche geringe Blindleistungsaufnahme wie bei voller Aussteuerung unter Berücksichtigung
der Kommutierungsblindleistung. Außerdem ist die Ventilbeanspruchung, welche durch
das Produkt von Sprungspannung und Stromsteilheit gegeben ist, wesentlich geringer
als bei den bekannten Steuerverfahren mit Teilaussteuerung durch stetige Zündwinkelverschiebung.
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Bezüglich der Glättung des Gleichstromes stellt das neue Steuerverfahren
keine höheren Anforderungen als die bisher üblichen. Beispielsweise wird für einen
dreipulsigen Stromrichter die Zeitkonstante im Gleichstromkreis vorteilhaft auf
einen Wert in der Größenordnung von 0,1 Sekunde festgelegt, der mit den üblichen
Glättungsmitteln in bekannter Weise herzustellen ist. Wenn auch im Netzstrom Oberschwingungen
aller denkbaren Ordnungszahlen auftreten, so ist doch die Mehrzahl derselben auf
sehr kleine Amplituden beschränkt und zeitlich über die Betriebsdauer statistisch
verteilt, so daß sie sich nicht störend auswirken. Das der Pulszahl zugehörige »Grundspektrum«
bleibt im ganzen Steuerbereich im wesentlichen. unverändert, hat jedoch auch bei
Betrieb mit dem neuen Steuerverfahren eine definierte Phasenlage zur Grundwelle.
Dies ist von Bedeutung für Stromrichteranordnungen höherer Pulszahl, deren Einzelsysteme
mit gleicher Belastung arbeiten. Die Verhältnisse sind also bezüglich dieser zum
»Grundspektrum« gehörenden Oberwellen günstiger als bei Stromrichteranordnungen
mit hergebrachter Steuerung.
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Da für einen Betrieb mit dem neuen Steuerverfahren ein praktisch trägheitsloser
Wechsel der Zündlagen von ausschlaggebender Bedeutung ist, so kommen als Steuer-
und Regeleinrichtungen hauptsächlich solche mit Elektronenröhren und vorzugsweise
mit Transistoren oder ähnlichen steuerbaren elektronischen Halbleiteranordnungen
in Betracht. Grundsätzlich können dazu bekannte Einrichtungen verwendet werden,
bei denen jedoch die sonst erforderlichen Mittel zur Verstellung der Phasenlage
der Zündzeitpunkte entbehrlich sind. In diesem Zusammenhang wird unter anderem auf
die deutschen Auslegeschriften 1000 936 und 1004 296 verwiesen,
in denen Anordnungen zur Erzeugung von Zündimpulsen mittels Transistoren beschrieben
und dargestellt sind.
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Zur Bestimmung der Schaltbefehle, durch welche in Abhängigkeit von
dem Vorzeichen der Regelabweichung entweder der eine oder der andere Steuerimpuls
zur Wirkung gebracht wird, kann ein an sich bekannter Zweitpunktregler, insbesondere
Transistorregler, verwendet werden. Besonders geeignet ist ein Transistorregler
z. B. nach der deutschen Auslegeschrift 1074 127.
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Das vorbesehriebene Steuerverfahren kann auch für gesteuerte Halbleiterventilanordnungen
verwendet werden, welche so ausgebildet sind, daß eine Anschnittsteuerung durch
gegenüber dem Spannungsnulldurchgang verzögerte Impulse möglich ist und eine Sperrung
jeweils erst im Stromnulldurchgang eintritt und vorher auch zwangläufig nicht herbeigeführt
werden kann. Derartige Halbleiteranordnungen sind unter anderem die in letzter Zeit
bekanntgewordenen Vierschichtsysteme mit p-n-p-n-Schichtun.g, bei denen beimAnlegen
einerWechselspannung an die äußeren Elektroden der mittlere p-n-Übergang den Stromdurchlaß
in jeder Periode zunächst sperrt, bis er durch einen elektrischen oder Lichtimpuls
stromdurchlässig gemacht und so der Halbleitergleichrichter gewissermaßen »gezündet«
wird.