DE1488771C3 - Lastgeführte Umrichterschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht" sich auf eine lastgeführte Umrichterschaltung, bestehend aus einer Gleichrichteranordnung, einem Gleichstromzwischenkreis, der eine Glättungsdrosselspule enthält, und zumindest einer Wechselrichteranordnung mit einem die Last enthaltenden Parallelschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz die Frequenz der Ausgangsspannung der Wechselrichteranordnung bestimmt.

Im Buch von W. Schilling, »Die Wechselrichter und Umrichter«, München und Berlin 1940, S. 80, wird eine derartige lastgeführte Umrichterschaltung gezeigt.

Der damaligen Technik entsprechend kamen selbstverständlich steuerbare Halbleiterventile nicht zur Anwendung.

Neben ihren Vorteilen weisen jedoch die steuerbaren Halbleiterventile den Nachteil auf, daß beim Einschalten über die Steuerelektrode nicht sofort die ganze Fläche der Halbleiterscheibe den Stromtransport übernimmt, sondern zuerst nur ein kleiner Teil in der Nähe der Steuerelektrode.

Bei den zum Stand der Technik zu zählenden lastgeführten Umrichterschaltungen der eingangs genannten Art wird mit Hilfe der steuerbaren Ventile der Wechselrichteranordnung der aus dem Gleichstromzwischenkreis entnommene Strom mit wechselnder Richtung durch die Last geleitet. Dabei bedingt der Parallelschwingkreis einen nahezu sinusförmigen Spannungsverlauf an der Last. Damit aber die Schwingfähigkeit des Parallelschwingkreises nicht beeinträchtigt wird, darf der Gleichstromzwischenkreis nicht mit einem Glättungskondensator abgeschlossen sein, an dem ja eine starre Gleichspannung anliegen würde, welche bei wechselweiser Anschaltung an die Last den sinusförmigen Spannungsverlauf nicht zuließe. Somit befindet sich beim Bekannten im Gleichstromzwischenkreis lediglich eine Glättungsdrosselspule, die eine stromstabilisierende Wirkung ausübt. Man erhält daher an der Last einen nahezu rechteckförmigen Stromverlauf.

Der rechteckförmige Stromverlauf hat jedoch zur Folge, daß die steuerbaren Ventile schon kurz nach der Zündung den vollen Strom führen müssen, obwohl erst ein Teil der Halbleiterscheibe leitend ist. Das stellt einen erheblichen Nachteil dar, da dies insbesondere bei höheren Frequenzen zu einer örtliehen Überlastung der steuerbaren Halbleiterventile führen kann.

Eine wesentlich geringere Stromanstiegsgeschwindigkeit ergibt ein Reihenschwingkreis am Ausgang der Wechselrichteranordnung (BBC-Nachrichten 46 [1964], H. 12, S. 618/619). Im Gegensatz zum Parallelschwingkreis ergibt nämlich der Reihenschwingkreis einen praktisch sinusförmigen Stromverlauf, dafür aber einen nahezu rechteckförmigen Spannungsverlauf; letzteres läßt es zu, den Gleichstromzwischenkreis mit einem Glättungskondensator abzuschließen. Da bei einem derartigen Stromverlauf der Maximalstrom erst nach einer bestimmten Zeit nach dem Einschalten der Wechselrichterventile auftritt, konnten steuerbare Halbleiterventile ohne die Gefahr einer Überbeanspruchung eingesetzt werden. Nachteilig ist jedoch hier für manche Anwendungsfälle der rechteckförmige Spannungsverlauf.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Umrichterschaltung der eingangs genannten Art, die eine sinusförmige Ausgangsspannung sowie einen allmählich ansteigenden und abfallenden Strom in der Wechselrichteranordnung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit der Glättungsdrosselspule im Gleichstromzwischenkreis eine weitere Drosselspule in Reihe geschaltet ist, wobei die Glättungsdrosselspule mit einem Anschluß unmittelbar mit der Gleichrichteranordnung verbunden ist, und an den Verbindungspunkt der Glättungsdrosselspule mit der weiteren Drosselspule ein Glättungskondensator angeschlossen ist, der so bemessen ist, daß die an seinen Elektroden abgreifbare Gleichspannung höchstens eine Welligkeit von 30 %> aufweist.

Der Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, daß die sinusförmige Ausgangsspannung ohne aufwendige Filterschaltungen erzielt wird. Der allmählich ansteigende und abfallende Strom in der Wechselrichteranordnung hat weiterhin den Vorteil, daß steuerbare Halbleiterventile bei lastgeführten Umrichterschaltungen mit Parallelschwingkreis wirtschaftlich eingesetzt werden können.

An Hand der Zeichnungen sei die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine beispielsweise Ausführung einer lastgeführten Umrichterschaltung,

F i g. 2 Diagramme der erzeugten Wechselspannung und des Stromes in den steuerbaren Halbleiterventilen der Wechselrichteranordnung,

F i g. 3 eine Abwandlung der Umrichterschaltung nach Fig. 1,

F i g. 4 Diagramme der erzeugten Wechselspannung und des Stromes in den steuerbaren Halbleiterventilen der Wechselrichteranordnung bei Änderung der Ausgangsleistung bei einer lastgeführten Umrichterschaltung mit einer nicht steuerbaren Gleichrichteranordnung.

In F i g. 1 ist mit 1 eine Gleichrichteranordnung dargestellt, welche beispielsweise aus einem Drehstromnetz mit den Phasen R, S, T gespeist wird. Die Schaltung der Gleichrichteranordnung wird als bekannt vorausgesetzt und ist daher nicht näher dargestellt. Die Regelung der erzeugten Gleichspannung kann in bekannter Weise durch die Gittersteuerung der Gleichrichterventile erfolgen. Die so entstehende Gleichspannung wird mit Hilfe der Glättungsdrosselspule 2 und des Glättungskondensators 4 gesiebt. Selbstverständlich muß auch die Resonanzfrequenz der beiden Siebungselemente unterhalb der Pulsfrequenz der Gleichrichteranordnung liegen.

Die am Glättungskondensator4 anliegende Gleichspannung wird nun über eine Verbindungsleitung an eine Wechselrichteranordnung 5 geführt. In diese Verbindungsleitung ist eine Drosselspule 3 eingeschaltet, deren Funktion nachfolgend genauer erklärt wird.

Damit es zwischen der Drosselspule 3 und dem Glättungskondensator 4 zu keiner Resonanzerscheinung kommt, muß der Glättungskondensator 4 so bemessen sein, daß die an seinen Elektroden abgreifbare Gleichspannung höchstens eine Welligkeit von 30% aufweist.

Die Wechselrichteranordnung 5 besteht in der einfachsten Form aus zwei steuerbaren Halbleiterventilen 6 und 7, welche mit einem Transformator 8 verbunden sind. An der Sekundärwicklung des Transformators 8 ist ein die Last enthaltender Parallelschwingkreis angeschlossen. Die Last ist durch einen Widerstand 9 und eine Induktivität 10 angedeutet. Ein Kondensator 11 stellt den kapazitiven Teil des Schwingkreises dar und liefert die erforderliche Kommutierungsblindleistung.

Eingangs wurde bereits darauf hingewiesen, daß eine Glättungsdrosselspule im Gleichstromzwischenkreis allein einen nahezu rechteckförmigen Stromverlauf im Parallelschwingkreis erzwingt. Diese Wirkung ist aber mit Hilfe des Glättungskondensators 4 abgeblockt.

Die Drosselspule 3 bewirkt nun eine Begrenzung der Stromänderungsgeschwindigkeit, so daß der Stromverlauf in den steuerbaren Halbleiterventilen 6 und 7 einen flachen Anstieg und Abfall aufweist. Er wird dadurch annähernd sinusförmig oder dreieckförmig, je nachdem, wie groß die Induktivität der Drosselspule 3 gewählt wird.

Ist deren Induktivität zu klein, dann wird die Schwingfähigkeit des Parallelschwingkreises gestört. Im Gegensatz zur Glättungsdrosselspule 2 wird die Drosselspule 3 stets ummagnetisiert. Wenn deren Induktivität groß ist, kann die Ummagnetisierung nicht so rasch erfolgen. Die Induktivität ist daher mit Rücksicht auf die gewünschte Frequenz der Umrichterausgangsspannung so groß wie möglich zu wählen; sie wird jedoch in der Regel kleiner als die der Glättungsdrosselspule sein.

In F i g. 2 sind die infolge der Drosselspule 3 entstehenden Spannungen und Ströme dargestellt. In F i g. 2 a zeigt die Kurve J₁ den Strom in der Drosselspule 3, der gleich durch das jeweils stromführende steuerbare Halbleiterventil 6 bzw. 7 fließt.

Wenn der Eisenkern der Drosselspule 3 durch den Strom nicht gesättigt wird, so hat der Verlauf des Stromes Z₁ etwa eine Sinusform.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Eisenkern der Drosselspule 3 eine rechteckige Magnetisierungskurve auf. Das ergibt den Vorteil, daß die Drosselspule 3 mit einer höheren Anfangsinduktivität wirksam werden kann, über (z. B.) Ve der maximalen Stromstärke aber mit einer wesentlich geringeren, so daß eine höhere Umrichterfrequenz möglich ist.

Die Kurve L₂ in F i g. 2 zeigt den Stromverlauf in diesem Fall. Zuerst steigt der Strom noch langsamer an, während die Stromanstiegsgeschwindigkeit ab etwa Vs der maximalen Stromstärke größer ist als im Vergleich mit i_v Dies ist darauf zurückzuführen, daß im oberen Strombereich die Drosselspule 3 gesättigt ist. Sobald jedoch der Strom /_o wieder unter (z. B.) Vs des Maximalwertes absinkt, beginnt sie wieder zu wirken und verursacht einen allmählichen Abstieg des Stromes.

Solange die Wechselspannung am Ausgang der Wechselrichteranordnung 5 kleiner als die Gleichspannung im Gleichstromzwischenkreis ist, wird die Drosselspule 3 aufmagnetisiert, im umgekehrten Fall wird sie wieder entmagnetisiert. Während der Zeit der Ummagnetisierung fließt durch sie der Strom hindurch. Den Zusammenhang zeigt die F i g. 2 b, in welcher die Gleichspannung U_d und die Wechselspannung u_w dargestellt sind.

Die Spannungszeitfläche, welche von der Drosselspule 3 aufgenommen werden muß, ist schraffiert angedeutet.

In F i g. 3 ist eine Umrichteranordnung für höhere Spannungen im Gleichstromzwischenkreis gezeigt.

Hierbei ist die Gleichrichteranordnung wieder an ein Drehstromnetz R, S, T angeschlossen. Die Glättungsdrosselspule 2 ist unverändert, jedoch ist der Glättungskondensator auf zwei in Reihe geschaltete Teilkondensatoren 4.1 und 4.2 aufgeteilt. An jedem Teilkondensator liegt damit nur die halbe Gleichspannung. Jedem Teilkondensator 4.1 bzw. 4.2 ist eine Wechselrichteranordnung 5.1 und "5.2 parallel geschaltet, wobei die von der Kopplungsstelle der Teilkapazitäten wegführende mittlere Verbindungsleitung beiden Wechselrichteranordnungen gemeinsam ist. In den beiden äußeren Verbindungsleitungen ist jeweils eine Drosselspule 3.1 bzw. 3.2 eingeschaltet. In diesem Beispiel arbeiten die Wechselrichteranordnungen 5.1 und 5.2 parallel auf einen gemeinsamen Parallelschwingkreis mit dem Kondensator 11, dem Widerstand 9 und der Induktivität 10.

Wenn die Gleichrichteranordnung 1 nicht steuerbar ausgeführt ist, ist die Gleichspannung im Gleichstromzwischenkreis unveränderlich. Um trotzdem eine Anpassung der Wechselrichteranordnung an eine wechselnde Belastung zu ermöglichen, wird die Wechselrichteranordnung mit lückendem Strom betrieben. Es ist dann eine Regeleinrichtung erforderlich, welche durch Verstellung der Zündwinkel der

steuerbaren Halbleiterventile in der Wechselrichteranordnung die Wechselspannung konstant hält.

In Fig. 4a und 4b sind für hohe und in Fig. 4c und 4 d für geringe Leistungen die Ströme und Spannungen ähnlich wie in F i g. 2 dargestellt. Die Gleichspannung ist wieder ohne Welligkeit angenommen. Man erkennt, daß durch Verstellung des Zündwinkels γ die Dauer des Stromflusses geändert werden kann. Bei hoher Leistungsabgabe (F i g. 4 a, 4 b) ist der Zündwinkel γ so groß, daß eine große Spannungszeitfläche (schraffiert) und dadurch eine lange Stromdauer entsteht, während bei niedriger Leistungsabgabe (F i g. 4 c, 4 d) der Zündwinkel kleiner ist; er liegt sogar gegenüber dem Schnittpunkt mit der Nullachse auf der anderen Seite. Die Spannungszeitfläche und damit die Stromdauer sind dann erheblich kleiner.

Die beschriebene Umrichterschaltung kann auch bei Quecksilberdampfgefäßen mit Vorteil angewendet werden. Bei diesen ist zwar ein flacher Stromanstieg nicht notwendig, aber der flache Stromabfall ergibt ίο eine Verkürzung der Freiwerdezeit, wie bei steuerbaren Halbleiterventilen auch, so daß höhere Frequenzen erzeugt werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Lastgeführte Umrichterschaltung, bestehend aus einer Gleichrichteranordnung, einem Gleichstromzwischenkreis, der eine Glättungsdrosselspule enthält, und zumindest einer Wechselrichteranordnung mit einem die Last enthaltenden Parallelschwingkreis, dessen Resonanzfrequenz die Frequenz der Ausgangsspannung der Wechselrichteranordnung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Glättungsdrosselspule (2) im Gleichstromzwischenkreis eine weitere Drosselspule (3) in Reihe geschaltet ist, wobei die Glättungsdrosselspule (2) mit einem Anschluß unmittelbar mit der Gleichrichteranordnung (1) verbunden ist, und an den Verbindungspunkt der Glättungsdrosselspule (2) mit der weiteren Drosselspule (3) ein Glättungskondensator (4) angeschlossen ist, der so bemessen ist, daß die an seinen Elektroden abgreifbare Gleichspannung höchstens eine Welligkeit von 30 °/o aufweist.

2. Lastgeführte Umrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glättungskondensator auf zwei in Reihe geschaltete Teilkondensatoren (4.1, 4.2) aufgeteilt ist, daß jedem Teilkondensator eine Wechselrichteranordnung (5.1, 5.2) parallel geschaltet ist, wobei die von der Kopplungsstelle der Teilkondensatoren wegführende mittlere Verbindungsleitung beiden Wechselrichteranordnungen gemeinsam ist, und daß in den beiden äußeren Verbindungsleitungen jeweils eine Drosselspule (3.1, 3.2) eingeschaltet ist.

3. Lastgeführte Umrichterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule (3, 3.1, 3.2) einen Eisenkern mit rechteckiger Magnetisierungskurve aufweist.