DE1613695C2

DE1613695C2 - Schaltungsanordnung zur Umrichtung einer Mehrphasenspannung in eine Wechselspannung niedriger Frequenz

Info

Publication number: DE1613695C2
Application number: DE1613695A
Authority: DE
Inventors: David Logan Waynesboro Va. Lafuze
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-12-30
Filing date: 1967-12-28
Publication date: 1982-06-16
Also published as: FR1549060A; GB1212690A; DE1613695A1; US3431483A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umrichtung einer Mehrphasenspannung in eine Wechselspannung niedrigerer Frequenz mit steuerbaren Thyristoren, von denen mindestens zwei an jede Phase der mehrphasigen Spannungsquelle mit entgegengesetzter Polung angeschlossen sind und an verschiedene Phasen angeschlossene Thyristoren gleicher Polung zu Gruppen zusammengefaßt sind, mit einer den Thyristorgruppen nachgeschalteten induktiven Wicklungsanordnung, mit einer von der mehrphasigen Spannungsquelle angesteuerten Zündsteuerschaltung, die die Thyristoren zu vorgewählten Zeitpunkten in der Phase der Mehrphasenspannung zündet, sowie einer die Zündsteuerschaltung ansteuernden Sollfrequenzquelle, die zur Bestimmung der Ausgangsfrequenz die Zündzeitpunkte der Thyristoren festlegt, und mit einer an die induktive Wicklungsanordnung angeschlossenen Ausgangsschaltung, an der die umgerichtete Ausgangswechselspannung abnehmbar ist.

Eine solche Schaltungsanordnung ist ihrer grundsätzliehen Art nach aus der FR-PS 14 49 010 bekannt. Dort sind an jede Phase einer dreiphasigen Spannungsqueüe jeweils zwei steuerbare Thyristoren entgegengesetzter Polung angeschlossen, und die drei an die einzelnen Phasen angeschlossenen Thyristoren der einen Polung sind zu einer ersten Thyristorgruppe und die drei an die einzelnen Phasen angeschlossenen Thyristoren der anderen Polung sind zu einer zweiten Thyristorgruppe zusammengefaßt. Die beiden Thyristorgruppen sind über eine Filterspule miteinander verbunden, die eine Mittenanzapfung aufweist. Zwischen dieser Mittenanzapfung und dem Sternpunkt der dreiphasigen Spannungsquelle wird die umgerichtete Wechselspannung abgenommen.

Unter Anwendung des gleichen Schaltungsprizips ist es aus der FR-PS 14 49 010 auch bekannt, die Mehrphasenspannung einer vierphasigen Spannungsquelle in eine Wechselspannung niedrigerer Frequenz umzuformen. Ferner ist die Möglichkeit aufgezeigt, eine mehrphasige Wechselspannung niedrigerer Frequenz aus der ursprünglichen Mehrphasenspannung zu gewinnen.

Der Wirkungs- und Nutzungsgrad der bekannten Schaltungsanordnung ist begrenzt, da man zum einen bei einer niedrigen Phasenzahl der umzurichtenden Mehrphasenspannung schwere und aufwendige Bauteile zum Filtern der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms der Umrichterschaltung benötigt oder zum anderen bei einer hohen Phasenzahl der umzurichtenden Mehrphasenspannung die Stromflußzeit jedes einzelnen steuerbaren Thyristors im Vergleich zur Periodendauer der ausgangsseitigen Wechselspannung sehr kurz ist. Im zweiten Falle sind daher die Thyristoren unzulänglicn ausgenutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, trotz Erzielung einer geringen Welligkeit in der ausgangsseitigen Wechselspannung oder im ausgangsseitigen Wechselstrom mit einer weniger aufwendigen Filtereinrichtung auszukommen und gleichzeitig die steuerbarer. Thyristoren hinsichtlich der Stromflußzeit besser auszunutzen.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Schaltungsanordnung nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die mit benachbarten Phasen verbundenen Thyristoren gleicher Polung jeweils verschiedenen Thyristorgruppen angehören, wobei die Zahl der Thyristoren in jeder Gruppe durch die Anzahl der Phasen der mehrphasigen Spannungsquelle und durch die Stromflußperiode der steuerbaren Thyristoren bestimmt ist, daß eine erste Zwischenphasenwicklung die Thyristorgruppen der einen Polung und eine zweite Zwischenphasenwicklung die Thyristorgruppen der anderen Polung miteinander verbindet, daß die erste Zwischenphasenwicklung und die zweite Zwischenphasenwicklung direkt miteinander verbunden sind und daß an diese Direktverbindung die Ausgangsschaltung angeschlossen ist.

Die erfindungsgernäßen Maßnahmen ermöglichen es, gleichzeitig mehrere Phasen gleicher Polarität des eingangsseitigen Mehrphasensystems auszunutzen, um die Ausgangsspannungen zusammenzusetzen. Damit wird eine geringere Welligkeit auf der Ausgangsseite bei gleichzeitig besserer Ausnutzung der steuerbaren Thyristoren erreicht.

Aus der US-PS 31 78 630 ist es zwar bereits bekannt, bei einer Umrichterschaltung zwischen Gruppen aus mit verschiedenen Phasen verbundenen Schaltelementen Drosselspulen vorzusehen. Bei der bekannten Anordnung handelt es sich jedoch bei den Schaltelementen nicht um steuerbare, rückwärts sperrende Thyristoren, wie beim Erfindungsgegenstand, sondern um bilaterale Schalter, die durch Steuersignale willkürlich ein- und ausgeschaltet werden können. Bei diesem Stand der Technik liegen somit völlig andere Verhältnisse als beim Erfindungsgegenstand vor. Ferner ist es bei der bekannten Umrichterschaltung von Nachteil, daß zwischen den einzelnen Phasen des Mehrphasensystems zahlreiche Verbindungen bestehen, in denen sich lediglich zwei in Reihe geschaltete bilaterale Schalter befinden. Auf Grund von fehlerhaften oder zufallsbedingten Steuersignalen kann es zu einem Schließer, beider Schalter und damit zu schwerwiegenden Kurzschlüssen kommen, die die Betriebszuverlässigkeit der bekannten Schalter stark beeinträchtigen. Nachteilig ist auch, daß die zum Aufbau der bilateralen Schalter verwendeten Transistoren nur geringe Ströme führen können.

Schließlich ist aus der DE-PS 9 15 479 eine Umrichterschaltungsanordnung bekannt, bei der sich Saugdrosselspulen zwischen Gruppen aus Entladungsgefäßen befinden, die an verschiedene Phasen des eingangsseitigen Transformators angeschlossen sind. Um die ausgangsseitige Wechselspannung möglichst gut an eine gewünschte Kurvenform anzunähern, ist jedoch der eingangsseitige Transformator als Polygonwicklung in Form eines unregelmäßigen Vielecks ausgebildet, und die Aufgabe der Saugdrosselspulen besteht darin, in Verbindung mit einer entsprechenden Zündung der Entladungsgefäße in dem Polygon enthaltene Sehnenspannungen als Ausgangsspannung auszuwählen. Angesichts von Eingangsspannungen mit

unterschiedlich großer Amplitude, die darüber hinaus über mehr oder weniger lange Zeitspannen von den Entladungsgefäßen durchgeschaltet werden, kommt es auch hier zu einer geringen Ausnutzung der Entladungsgefäße. Darüber hinaus ist die speziell angefertigte Polygonwicklung aufwendig. Zudem ist bei der bekannten Schaltungsanordnung nach der DE-PS 9 15 479 die Verwendung von Saugdrosselspulen nicht unabdingbar vorgeschrieben. Demgegenüber stellen beim Erfindungsgegenstand die Zwischenphasenwicklungen ein \₀ zum Lösen der erfindungsgemäßen Aufgabe unbedingt notwendiges Mittel dar.

Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im Folgenden sollen anhand von Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert werden.

F i g. 1 ist das Schaltbild einer nach der Erfindung aufgebauten Umrichterschaltung.

Fig.2a und 2b zeigen an Hand von Spannungszeitverläufen, wie die in F i g. 1 gezeigte Umrichterschaltung nach der Erfindung arbeitet.

F i g. 3 ist das Schaltbild einer neunphasigen, nach der Erfindung aufgebauten Umrichterschaltung, bei der die steuerbaren Schalter während eines Phasenwinkels von 120° Strom führen.

F i g. 4 ist das Schaltbild einer zwölfphasigen, nach der Erfindung aufgebauten Umrichterschaltung, bei der die steuerbaren Schalter während eines Phasenwinkels von 120° Strom führen.

F i g. 5 ist das Schaltbild eines zwölfphasigen, nach der Erfindung aufgebauten Leistungsumrichters, bei dem die steuerbaren Schalter während eines Phasenwinkels von 90° Strom führen.

Fig. 6 ist das Blockschaltbild einer nach der Erfindung aufgebauten Umrichteranlage, die aus einer sechsphasigen Wechselspannung veränderlicher Frequenz eine dreiphasige Wechselspannung mit einer Frequenz von 400 Hz erzeugt.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Schaltung handelt es sich um einen Sechs-Phasen-Umrichter mit Zwischenphasentransformatoren und mit einer herkömmlichen sechsphasigen Spannungsquelle 31, die die Wicklungen eines Sechs-Phasen-Transformators oder die Statorwicklungen eines sechsphasigen Wechselstromgenerators mit einem geerdeten Massepunkt 18 enthalten kann. Die sechsphasige Spannungsquelle 31 weist mehrere Wicklungen auf, von denen jeweils die eine Klemme an den Massepunkt 18 angeschlossen ist. Die anderen Klemmen der Wicklungen sind mit ei bis e6 bezeichnet.

Die sechs Phasen der sechsphasigen Spannungsquelle 31 sind an eine »positive« Schalterbank 32 bis 37 und an eine »negative« Schalterband 32' bis 37' angeschlossen. Bei den Schaltern 32 bis 37 sowie 32' bis 37' handelt es sich um steuerbare Siliziumgleichrichter oder Thyristoren.

Jeder Thyristor der negativen Schalterbank 32' bis 37' ist mit dem an dieselbe Phase angeschlossenen Thyristor der positiven Schalterband 32 bis 37 antiparallel geschaltet. Eine Zündsteuerschaltung (in F i g. 1 nicht gezeigt) ist an mehrphasige Spannungsquelle 31 und an die Steuer- oder Zündelektroden der Thyristoren 32 bis 37 und 32' bis 37' angeschlossen. Die Zündsteuerschaltung zündet zu ausgewählten Zeitpunkten in der Phase der Spannungsquelle 31 ausgewählte Thyristoren, so daß diese stromleitend werden.

Zwischenphasenwicklungen 38 und 39 verbinden ausgewählte Gruppen von Thyristoren in der positiven und in der negativen Thyristorbank. Die Anzahl der Thyristoren in jeder ausgewählten Gruppe wird durch die Anzahl der Phasen der mehrphasigen Wechselstromquelle 31 und der gewünschten Stromflußperiode jedes Thyristors bestimmt. Die Zwischenphasenwicklungsschaltungen weisen einzelne lineare Induktionswicklungen 38 und 39 auf, die über eine Leitung 41 miteinander verbunden sind. Die Leitung 41 ist auch an die Ausgangsschaltung angeschlossen, die aus einer Filterspule 23 und einem Filterkondensator 24 besteht. Die mit umgekehrter Polarität zueinander parallel geschalteten Thyristoren 32 bis 37 und 32' bis 37' führen den Strom in entgegengesetzten Richtungen. Die Zwischenphasenwicklung 38 verbindet ausgewählte Gruppen aus den mit positiver Polarität zusammengeschalteten Thyristoren der positiven Thyristorbank, die den Strom in positiver Richtung liefert. Die zweite Zwischenphasenwicklung 39 verbindet ausgewählte Gruppen aus den mit negativer Polarität zusammengeschalteten Thyristoren 32' bis 37', die den Strom in der entgegengesetzten oder negativen Richtung liefern.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer sechsphasigen Wechselspannungsquelle sind für jede Phase zwei antiparallel geschaltete Thyristoren vorgesehen. Die Thyristoren 32 bis 37 der positiven Gleichrichterbank bilden zwei getrennte Thyristorgruppen, von denen die eine als Gleichrichtergruppe A und die andere als Gleichrichtergruppe B bezeichnet wird. Jede Gruppe besteht aus drei Thyristoren, nämlich den Thyristoren 32 bis 34 der Gruppe A und den Thyristoren 35 bis 37 der Gruppe B. Die beiden Gleichrichtergruppen der positiven Bank sind über die Zwischenphasenwicklung 38 leitend und induktiv miteinander gekoppelt. Die Thyristoren 32' bis 37', die den negativen Strom führen, bilden zwei zusammengeschaltete Gleichrichtergruppen C und D. Jede Gleichrichtergruppe Cund D weist drei Thyristoren auf. Auch diese beide Gruppen sind über die Zwischenphasenwicklung 39 leitend und induktiv miteinander gekoppelt. Die beiden Zwischenphasenwicklungen 38 und 39 sind über die Leitung 41 miteinander verbunden.

Die in F i g. 1 gezeigte sechsphasige Umrichterschaltung mit Zwischenphasentransformatoren setzt sich aus zwei einfachen Drei-Phasen-Thyristorschaltungen zusammen, denen zwei weitere einfache Drei-Phasen-Thyristorschaltungen parallel geschaltet sind, die jedoch um 60° elektrisch gegeneinander gedreht sind, so daß die Ausgangsspannung die Welligkeit einer Sechs-Phasen-Schaltung aufweist. Die Zwischenphasentransformatorwicklungen 38 und 39 nehmen die Differenz der momentanen Ausgangsspannung der beiden parallelen Gleichrichtergruppen, beispielsweise der Gleichrichtergruppe A und der Gleichrichtergruppe B, auf. Jede Gleichrichtergruppe liefert den halben Ausgangsstrom. Da die Zündphasenwinkel der beiden Gleichrichtergruppen, beispielsweise der Gruppe A und der Gruppe B, um 60° gegeneinander verschoben sind, braucht man eine sechsphasige Spannungsquelle 31. Die Zwischenphasenwicklungen 38 und 39 können derart ausgelegt sein, daß sie Streuinduktivitäten aufweisen, um im Leiter 41 einen Ausgleichsstrom zwischen der positiven und negativen Gleichrichterbank zu begrenzen und um bereits eine Filterwirkung vorzusehen. In diesem Falle braucht die Filterinduktivität 23 nicht so groß zu sein, wie es sonst notwendig wäre.

Die Zündreihenfolge der Thyristoren ist an Hand der in F i g. 1 dargestellten Bezugszeichen P\ bis Pt und N\

bis N₆ angegeben. Die Zündreihenfolge der Thyristoren jeder Gruppe kann beim Auslegen der Zündsteuerschaltung festgelegt werden. Wenn beispeilsweise bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform der Thyristor 32 gerade leitend ist, dann wird in der positiven Thyristorbank der Thyristor 35 in der Gleichrichtergruppe B als nächster gezündet. Im Anschluß an den Thyristor 35 folgt der Thyristor 33 in der Gleichrichtergruppe A. Das Zünden des Gleichrichters 35 dient nicht zur Kommutierung des Gleichrichters 32, da die beiden Gleichrichtergruppen A und B durch die Zwischenphasenwicklung 38 voneinander isoliert sind. Der Thyristor 32 darf solange im leitenden Zustand bleiben, bis der Thyristor 33 gezündet wird. Erst zu diesem Zeitpunkt wird der Strom im Thyristor 32 durch Kommutation auf Null gebracht.

Ohne die Zwischenphasenwicklung 38 würde der Thyristor 32 bereits beim Zünden des Thyristors 35 kommutieren. Diese beiden Thyristoren könnten daher nicht zur selben Zeit Strom leiten. Die Zwischenphasenwicklungen ermöglichen es, daß die der ersten bzw. zweiten Phase zugeordneten Thyristoren 32 und 35 zur selben Zeit leitend sind und daß diese beiden Thyristoren den Verbraucherstrom während überlappender Teile ihrer Eingangswellenformen unter sich aufteilen. Dadurch wird die gesamte Schaltung besser ausgenutzt. Die Zwischenphasenwicklung 38 nimmt die Differenz der momentanen Ausgangsspannung der beiden positiven Gleichrichtergruppen A und B auf, und in entsprechender Weise nimmt die Zwischenphasenwicklung 39 die Differenz zwischen den momentanen Ausgangsspannungen der beiden negativen Gleichrichtergruppen Cund D auf.

Die Fig. 2a und 2b dienen zur Erläuterung der Betriebsweise der in Fig. 1 gezeigten Umrichterschaltung. Fig.2 zeigt die Arbeitsweise der positiven Thyristorbank 32 bis 37 und F i g. 2b die Arbeitsweise der negativen Thyristorbank 32' bis 37'. In den F i g. 2a und 2b stellen die gestrichelt eingezeichneten Wellenformen mit der höheren Frequenz die mehrphasige Eingangsspannung der Umrichterschaltung dar. Die den einzelnen Eingangsphasen zugeordneten Spannungen sind mit den Bezugszeichen ei, φ usw. versehen. Die niedrigere Sollfrequenz, die in den F i g. 2a und 2b mit 400 Hz angegeben ist, steuert die Thyristoren 32 bis 37' und legt damit die Frequenz der Ausgangsspannung fest. Es soll angenommen werden, daß die Ausgangsfrequenz bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform 400 Hz betragen soll. Die durch die Steuerung der Thyristoren 32 bis 37 der positiven Thyristorbank bestimmten leitenden Teile der Phasenspannungen sind in der Fig.2a ausgezogen eingezeichnet. Die,Arbeitsweise der Thyristoren 32' bis 37' der negativen Thyristorbank ist in der F i g. 2b in ähnlicher Weise eingezeichnet. Die F i g. 2a und 2b zeigen nicht den sich ergebenden Ausgangsstrom, der an die Filterschaltung 23, 24 geliefert wird. Die Arbeitsweise der Zwischenphasenwicklungen 38 und 39 ist daher in den Figuren nicht vollkommen erläutert.

Die F i g. 3 zeigt eine nach der Erfindung aufgebaute neunphasige Umrichterschaltung, bei der der Stromflußwinkel der Thyristoren 120° beträgt. Die in Fig.3 dargestellte Anlage weist eine neunphasige Wechselspannungsquelle 59 auf. An jede Phase der mehrphasigen Wechselspannungsquelle 59 sind zwei antiparallel geschaltete Thyristoren 61, 6Γ oder 62, 62' usw. angeschlossen. Die Thyristoren 61 bis 69 führen den positiven Strom und bilden zusammen drei Thyristorgruppen, die über einen Zwischenphasentransformator 71 mit drei Zwischenphasenwicklungen 71a, 71i>und 71c leitend und induktiv miteinander gekoppelt sind. Die Zwischenphasenwicklung 71a ist an die positive Thyristorgruppe 61 bis 63, die Wicklung 710 an die positive Thyristorgruppe 64 bis 66 und die Wicklung 71c an die positive Thyristorgruppe 67 bis 69 angeschlossen. Die Thyristoren 6Γ bis 69', die den negativen Strom führen, bilden ebenfalls drei Gruppen aus je drei

ίο Thyristoren, die an einen weiteren Zwischenphasentransformator 73 angeschlossen sind. Der Zwischenphasentransformator 73 enthält ebenfalls drei Zwischenphasenwicklungen 73a, 736 und 73c. Die Zwischenphasenwicklungen sind induktiv miteinander gekoppelt und über Leiter miteinander verbunden. Jeweils eine Zwischenphasenwicklung ist an eine aus drei Thyristoren bestehende Thyristorgruppe angeschlossen. Die Wicklungen des Zwischenphasentransformators 71 und 73 sind über einen Leiter 75 miteinander verbunden.

Jeder der beiden Zwischenphasentransformatoren 71 und 73 ist auf einen dreischenkligen Kern 72 bzw. 74 gewickelt. Jeder Kern hat drei getrennte Schenkel 72a, 726 und 72c bzw. 74a, 746 und 74c. Auf den Schenkeln befinden sich die Zwischenphasenwicklungen 71a bis 71c bzw. 73a bis 73c. Der dreischenklige Aufbau der Kerne 72 bis 74 gewährleistet, daß für jeden der einzelnen Kernschenkel der magnetische Rückweg durch die beiden anderen Schenkel führt, so daß die magnetische Differenzgleichspannung ausgeglichen und eine Sättigung vermieden wird. Die mittlere magnetische Gleichspannung der drei Wicklungsspulen sättigt den Kern nicht, da der durch diese magnetische Spannung erzeugte Magnetfluß über einen langen Luftweg zurückkehren muß. Die Zwischenphasentransformatoren 71 und 73 arbeiten daher linear, wenn sie die positiven und negativen Stromimpulse, die ihnen von den positiven und negativen Thyristorgruppen der Gleichrichterbänke geliefert werden, vereinigen und den vereinigten Ausgangsstrom der Fikerschaltung 23, 24 zuführen.

Die Zündreihenfolge für die Thyristoren.61 bis 69 und 61' bis 69' wird durch die Bezugszeichen +la bis +9a und — la bis —9a an den einzelnen Thyristorgruppen in der F i g. 3 angegeben. Diese Zündreihenfolge wird durch die an die Zündelektroden der einzelnen Thyristoren angeschlossene Zündsteuerschaltung erreicht. Aus der Zündreihenfolge ersieht man, daß jeder Thyristor einen Stromflußwinkel von 120° hat, da erst nach 120° der Strom durch den nächsten Thyristor in

so derselben Gruppe zu fließen beginnt. Die in F i g. 3 gezeigte Schaltungsanordnung liefert daher eine Ausgangsspannung mit einer 9-Phasen-Welligkeit und erlaubt daher einen Stromflußwinkel von 120° für jeden Thyristor. Auf diese Weise kann man eine höhere Welligkeit der Ausgangsspannung einer Umrichterschaltung erreichen, ohne daß der Ausnutzungsgrad eines derartigen Leistungsumrichters darunter leidet. Die Größe der ausgangsseitigen Filterinduktivität und Filterkapazität für einen Leistungsumrichter ist bekanntermaßen umgekehrt proportional zur Welligkeitsfrequenz. Das Produkt der Filterinduktivität und Filterkapazität für eine vorgegebene Welligkeit ist der vierten Potenz der Anzahl der Eingangsphasen umgekehrt proportional. Bei neun Ein-

h5 gangsphasen, wie es bei der Schaltung nach der Fig.3 der Fall ist, kann man eine beträchtliche Verminderung in der Größe der Ausgangsfilterinduktivität und -kapazität erreichen. Auf diese Weise kann das

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Gesamtgewicht einer Leistungsumrichteranlage um ein beträchtliches Maß gemindert werden, ohne daß dabei der gesamte Wirkungsgrad oder Nutzeffekt leidet.

Fig.4 ist das Schaltbild einer nach der Erfindung aufgebauten 12-phasigen Umrichterschaltung, bei der die Thyristoren einen Stromflußwinkel von 120° aufweisen. Die in Fig. 4 dargestellte 12-phasige Umrichterschaltung enthält eine 12-Phasen-Wechselstromquelle 76, bei der die eine Klemme der Phasenwicklungen miteinander verbunden und gemeinsam an einen geerdeten Massepunkt 18 angeschlossen sind. Die anderen Klemmen der Phasenwicklungen sind jeweils an zwei antiparallel geschaltete Thyristoren, beispielsweise 77, 77' oder 78, 78' usw. angeschlossen. Die den positiven Strom führenden Thyristoren 77 bis 89 bilden vier zusammengeschaltete Thyristorgruppen aus je drei Thyristoren. Die vier Gruppen bilden wiederum zwei Thyristorgruppenpaare. Das eine Gruppenpaar aus den Thyristoren 77 bis 79 und 81 bis 83 ist über eine Zwischenphasenwicklung 91 leitend und induktiv gekoppelt. Ein weiteres Gruppenpaar der positiven Bank aus den Thyristoren 84 bis 86 und 87 bis 89 ist über eine weitere Zwischenphasenwicklung 92 verbunden und induktiv gekoppelt. Die beiden Zwischenphasenwicklungen 91 und 92 sind über eine weitere Zwischenphasenwicklung 95 miteinander verbunden. In ähnlicher Weise sind die Thyristoren 77' bis 89' der negativen Bank in vier Gruppen aus je drei Thyristoren unterteilt, wobei wiederum zwei Gruppenpaare gebildet werden. Das erste Gruppenpaar aus den Thyristoren 77' bis 79' und 8Γ bis 83' ist über eine vierte Zwischenphasenwicklung 93 verbunden und induktiv gekoppelt. Das zweite Gruppenpaar der negativen Thyristorbank aus den Thyristoren 84' bis 86' und 87' bis 89' ist über eine Zwischenphasenwicklung 94 verbunden und induktiv gekoppelt. Die Zwischenphasenwicklungen 93 und 94 sind über eine Zwischenphasenwicklung 96 miteinander verbunden. Die beiden auch als Hilfszwischenphasenwicklungen bezeichneten Wicklungen 95 und 96 sind wiederum an ein aus einer Spule 23 und einem Kondensator 24 bestehendes Filter angeschlossen, das den umgerichteten Wechselstrom abgibt. Die Zündreihenfolge für die positive und negative Gleichrichterbank aus den Thyristoren 77 bis 89 und 77' bis 89' ist durch Bezugszeichen +la, + 5a, + 9a bzw. — la, —5a, —9a usw. an den einzelnen Thyristoren angegeben. Diese Zahlen geben die Zündreihenfolge der Thyristoren an. Bei der gezeigten 12-Phasen-Wechselspannungsquelle 76 beträgt der Winkel zwischen den einzelnen Phasenspannungen 30°. Wie man aus der Zündreihenfolge erkennen kann, ist für jeden Thyristor eine Stromflußzeit von vier 30°-Intervallen oder von 120° vorgesehen. Die Zwischenphasenwicklungen 91 und 92 nehmen wieder die Differenz zwischen den momentanen Ausgangsspannungen der beiden Gruppenpaare der positiven Gleichrichterbank auf. In ähnlicher Weise nehmen die Zwischenphasenwicklungen 93 und 94 die momentanen Differenzspannungen zwischen den Paaren der beiden Gruppen der negativen Thyristorbank auf. Der mittlere Wert des in den beiden Zwischenphasenwicklungen 91 und 92 fließenden Stromes erscheint am Leiter 95 und wird über die Zwischenphasenwicklung 97 gekoppelt. Der Durchschnittswert des in den beiden Zwischenphasenwicklungen 93 und94 fließenden Stromes erscheint im Leiter 96 und wird über die Zwischenphasenwicklung 97 gekoppelt. Der Durchschnittswert von allen vier Gruppen des Gleichrichters erscheint am Mittelpunkt der Zwischenphasenwicklung 97 und wird der ausgangsseitigen Filterspule 23 und dem Filterkondensator 24 zugeführt. Durch entsprechendes Gruppieren von ausgewählten Thyristoren und Verbinden dieser Gruppen mit ■5 Zwischenphasenwicklungen 91 bis 94 kann man also eine hohe Welligkeit in der Ausgangsspannung erreichen und gleichzeitig dabei einen hohen Stromflußwinkel für die Thyristoren aufrechterhalten, wobei die Kommutierungsverluste gering sind.

in Die in Fig. 1 gezeigten Zwischenphasenwicklungen oder Zwischenphasentransformatoren 38 und 39 sind Doppelwicklungen, deren Mittelanzapfungen über den Leiter 41 verbunden sind. Die oberhalb und unterhalb des Mittelabgriffs liegenden Wicklungshälften der Wicklungen 38 kann man als Einzelwicklungen betrachten, die leitend miteinander verbunden und induktiv gekoppelt sind. Die ine von diesen Einzelwicklungen ist jeweils einer Thyristorgruppe A bzw. B zugeordnet. Obwohl die in F i g. 1 gezeigten Zwischenphasenwicklungen anders dargestellt sind, als die in F i g. 3 gezeigten Wicklungen, üben sie jedoch dieselbe Funktion aus. Dies trifft auch für die in F i g. 4 gezeigten Zwischenphasenwicklungen zu.

Bei der in F i g. 1 gezeigten 6-Phasen-Spannungsquel-Ie und der in Fig.4 gezeigten 12-Phasen-Spannungsquelle liegen einige Phasen direkt einander gegenüber. Die in F i g. 1 dargestellte Spannungsquelle 31 kann man daher als einen 3-Phasengenerator mit doppelten Ausgangsklemmen betrachten. In der gleichen Weise kann man die in Fig.4 gezeigten 12-Phasen-Spannungsquelle 76 als eine besondere Form eines 6-Phasengenerators ansehen. Diese Generatoren sollen jedoch auch im folgenden als 6- bzw. 12-Phasen-Generator bezeichnet werden.

Die F i g. 5 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform eines 12-Phasen-Umrichters, bei dem die Thyristoren derart gruppiert sind, daß sich Stromflußwinkel von 90° ergeben. Der Netzspannungsgenerator ist in diesem Teil nicht gezeigt. Es kann der in Fig.4 gezeigte

^ά° Generator 76 benutzt werden, der in derselben Weise an die Thyristoren 77 bis 89 und 77' bis 89' angeschlossen wird wie bei der in Fi g. 4 gezeigten Schaltung. Ebenso wird der Massepunkt des ausgangsseitigen Filterkondensators 24 mit dem Massepunkt des Generators verbunden. Die Thyristoren 77 bis 89 der positiven Bank sind in drei Gruppen aus je vier Thyristoren 77 bis 81,82 bis 85 und 86 bis 89 unterteilt. Jede Gruppe ist an eine Zwischenphasenwicklung 71a' 71b' und 71c' eines dreischenkligen Zwischentransformators 71' angeschlossen. Dieser Transformator ist ähnlich aufgebaut wie der im Zusammenhang mit der 9-Phasen-Umrichterschaltung benutzte Zwischenphasentransformator von F i g. 3. Die Thyristoren 77' bis 89' der negativen Bank sind in ähnlicher Weise in drei Gruppen aus je vier Thyristoren unterteilt. Jede Gruppe ist wiederum an eine Zwischenphasenwicklung 73a' 73£'und 73c'eines zweiten Zwischenphasentransformators 73' angeschlossen. Die Wicklungen der beiden Zwischenphasentransformatoren 71' und 73' sind über einen Leiter 98 miteinander verbunden, der an die ausgangsseitige Filterspule 23 und den Filterkondensator 24 angeschlossen ist.

Die Zündreihenfolge der Thyristoren in jeder Gleichrichterbank ist durch die alphanumerischen Zeichen + la, +4a...—9a, —12a angezeigt. Wie man aus der Zündreihenfolge entnimmt, beträgt der Stromflußwinkel der Thyristoren in der Gruppe 90°. Die Ausgangsspannung der Schaltung hat eine 12-Phasen-

Welligkeit, die von der Ausgangsfilterschaltung 23, 24 geglättet wird. Der Stromflußwinkel jedes Thyristors 77 bis 89 und 77' bis 89' beträgt 90°. Während die Kommutierungsverluste bei dieser Schaltungsanordnung etwas größer sind, als bei der in F i g. 4 gezeigten Schaltung, so gibt es doch viele Anwendungszwecke, bei denen der kürzere Stromflußwinkel von 90° gegenüber dem längeren Stromflußwinkel von 120° Vorteile bringt. Die Schaltungsanordnung nach F i g. 5 zeigt ferner, wie man durch geeignete Gruppierung von ι ο ausgewählten Thyristoren in der negativen und positiven Thyristorbank und durch eine entsprechend gewählte Zündreihenfolge verschiedenartige Schaltungsanordnungen mit hohen Welligkeitsfrequenzen in der Ausgangsspannung zusammen mit einem großen Stromflußwinkel schaffen kann.

F i g. 6 ist ein Blockschaltbild einer großen Umrichteranlage, die eine dreiphasige Wechselspannung mit einer Frequenz von 400 Hz aus einer sechsphasigen Netzwechselspannung mit veränderlicher Frequenz herstellt. Die Anlage enthält drei einphasige Leistungsumrichter 101A 1015 und 101C, die nach den Lehren der Erfindung aufgebaut sind und die drei 400-Hz-Wechselspannungen V₃, Vb und Vc liefern, deren Phasen um 120° ^^J gegeneinander verschoben sind. Jede Umrichterschaltung 101A 1015 und 101C kann eine Einphasen-Umrichterschaltung enthalten, wie sie in den Fig. 1, 3, 4 oder 5 gezeigt ist. Die Leistungsumrichterschaltungen 101A 1015 und 101C werden von ihren zugeordneten Zündsteuerschaltungen 102A 1025und 102Cgesteuert. Zur Verbesserung der Linearität und Stabilisierung der Anlage sind Rückführschaltungen 103A 1035 und 103C vorgesehen.

An jeder Zündsteuerschaltung 102A 1025 und 102C liegt ein Steuersignal, das von einer Summierschaltung ^}5 104A 1045undl04Cgeliefert wird. Jede Summierschaltung summiert ein 400-Hz-SolIsignal und das Rückführsignal der zugehörigen Rückführschaltungen 103A 1035 und 103C Das aufsummierte Ausgangssignal wird dem Eingang der Zündsteuerschaltung 102A 1025 und 102Cmit der Frequenz des Versorgungsgenerators von einer Zündwellenformschaltung 105 zugeführt. Die von der Zündwellenformschaltung 105 gelieferten Zündwellenformen entsprechen eines Cosinuswelle oder dem Integral der Spannung zwischen den Phasen der den /_^; Leistungsumrichterschaltungen 101A 1015 und 101C zugeführten Netzwechselspannung veränderlicher Frequenz. Diese vereinten Eingangssignale werden an die Eingänge der Zündsteuerschaltungen 102A 1025 und 102C gelegt, um die Leistungsumrichterschaltungen zu ^D° steuern.

Ein Hauptgenerator 106 dient als Leistungsquelle für die Leistungsumrichterschaltungen 101A 1015 und 101C. Die Zündwellenformen für jede Zündsteuerschaltung werden von der Zündwellenformschaltung 105 an den Ausgangsklemmen des Hauptgenerators 106 abgenommen. Die Spannung des Haüptgenerators 106 wird von einem einfachen Spannungsregler 107 getrennt geregelt, der seine Leistung über ein Leistungsnetzgerät 109 von einem Hilfsgenerator 108 mit einem Dauermagneten bezieht. Der Hilfsgenerator 108 wird von derselben Welle angetrieben wie der Hauptgenerator 106. Der Hilfsgenerator liefert über eine Spannungsregelschatlung 107 den Strom für das Erregerfeld des Hauptgenerators. Ferner versorgt der Hilfsgenerator 108 die Steuerschaltungen, Schutzschaltungen, die Einrichtungen zum Schalten und Trennen der Anlage usw. Unter der Annahme, daß sowohl der Hauptgenerator als auch der Hilfsgenerator von derselben Welle eines Motors, beispielsweise eines Flugzeugmotors oder Kraftwagenmotors, mit veränderlicher Drehzahl angetrieben werden, kann sich die Ausgangsfrequenz des Hauptgenerators 106 über einen großen Bereich ändern, beispielsweise zwischen 1333 und 2666 Hz. Die Ausgangswechselspannung des Hauptgenerators 106 ist verhältnismäßig stabil, da der Hilfsgenerator 108 über einen großen Drehzahlbereich betrieben werden kann und außerdem der Spannungsregler 107 zur Regelung der Ausgangsspannung des Hauptgenerators 106 benutzt wird.

Die drei Bezugswellenformen Vr, die über die Summierschaltung 104 an den Eingang der Zündschaltungsanordnung 102 zusammen mit den Zündwellenformen 105 geliefert werden, müssen innerhalb der gewünschten Genauigkeit 400 Hz betragen und um 120° in der Phase gegeneinander verschoben sein. Ferner sollten die Bezugsspannungswellen einen sehr geringen Oberwellengehalt aufweisen und sehr leicht und unabhängig voneinander in ihrer Amplitude veränderbar sein, um an jeder Phase eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Diese Bedingungen werden von einem 2400-Hz-Präzisionsoszillator 111 erfüllt. Der Oszillator 111 ist über einen digitalen Phasenspalter 112, drei Amplitudenbegrenzer 113 und drei Präzisionsfilter 114 an die Steuerschaltung angeschlossen. Die sich ergebenden Ausgangssignale Vr werden den Eingängen der Summierschaltungen 104A 1045 und 104C zugeführt. Die Begrenzer 113 werden von einzelnen Phasenspannungsreglern 115 gesteuert.

Der Aufbau des Oszillators 111 hängt von der gewünschten Genauigkeit ab. Falls die Schaltung parallel mit anderen Anlagen benutzt werden soll, dann sollte sie derart aufgebaut sein, daß die Frequenz sehr leicht aufgrund von Lastaufteilungssignalen verändert werden kann. Ein digitaler Phasenspalter ist ausführlich in der US-Patentschrift 32 41 033 beschrieben. Amplitudenbegrenzer und Phasenspannungsregler sind aus der US-Patentschrift 29 22 052 bekannt.

Die Ausgangssignale des Oszillators 111 stellen eine Impulsfolge dar, die dem digitalen Phasenspalter 112 zugeführt wird. Der digitale Phasenspalter 112 liefert drei 400-Hz-Rechteckwellen, die um genau 120° phasenverschoben sind. Die Genauigkeit dieser Schaltung wird dadurch erreicht, daß der Beginn jeder Halbwelle der 400-Hz-Rechteckwelle von den 2400-Hz-Oszillatorimpulsen ausgelöst wird. Die am Ausgang des digitalen Phasenspalters 112 auftretenden 400-Hz-Rechteckwellen werden dann durch den Amplitudenbegrenzer 113 auf einen Wert begrenzt, der von den einzelnen Phasenspannungsreglern, die einen Teil der Schaltung 115 enthalten, bestimmt ist. Die begrenzte Rechteckwelle wird dann dem Präzisionsfilter 114 zugeführt, in dem der Oberwellengehalt auf weniger als 1 % vermindert wird. Die Amplitude der sich ergebenden 400-Hz-Bezugswellenformen Vr, die den Summierschaltungen 104 zugeführt werden, sind dann der Amplitude der Rechteckwellen, mit der das Filter 114 gespeist wird, proportional.

Die Generatorfrequenz muß hoch genug sein, um eine große Anzahl von Thyristoren in einer Halbwelle der 400-Hz-Frequenz zu zünden, so daß die Anlage eine glatte Ausgangsspannung liefert. Bei den hier beschriebenen Umrichterschaltungen wird im allgemeinen bei der kleinsten Generatordrehzahl bzw. -frequenz ein Eingangs- zu Ausgangsfrequenzverhältnis von 3 zu 1 benutzt.

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Obwohl die Umrichteranlage an Hand einer Aus- Eingangsfrequenz höher ist als die Ausgangsfrequenz,

gangsfrequenz von 400 Hz beschrieben wurde, kann die und zwar mindestens um ein Verhältnis von 3 zu 1. Dies

Erfindung auch in Anlagen verwendet werden, bei trifft insbesondere dann zu, wenn eingangsseitig

denen die veränderliche Eingangsfrequenz und die feste mindestens sechs Phasen vorliegen. Das Produkt aus der

Ausgangsfrequenz andere Werte haben, bei denen 5 Anzahl der Eingangsphasen und dem genannten

ferner die Eingangsfrequenz fest und die Ausgangsfre- Verhältnis ist in diesem Falle achtzehn. Das bedeutet,

quenz veränderbar ist, und bei denen sowohl die daß auf eine Halbperiode der Ausgangsspannung

Eingangs- als auch die Ausgangsfrequenz veränderbar achtzehn Halbperioden der Eingangswechselspannung

sind. Die einzige Bedingung besteht darin, daß die fallen sollten.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Urnrichtung einer Mehrphasenspannung in eine Wechselspannung niedrigerer Frequenz mit steuerbaren Thyristoren, von denen mindestens zwei an jede Phase der mehrphasigen Spannungsquelle mit entgegengesetzter Polung angeschlossen sind und an verschiedene Phasen angeschlossene Thyristoren gleicher Polung zu Gruppen zusammengefaßt sind, mit einer den Thyristorgruppen nachgeschalteten induktiven Wicklungsanordnung, mit einer von der mehrphasigen Spannungsquelle angesteuerten Zündsteuerschaltung, die die Thyristoren zu vorgewählten Zeitpunkten in der Phase der Mehrphasenspannung is zündet, sowie einer die Zündsteuerschaltung ansteuernden Sollfrequenzquelle, die zur Bestimmung der Ausgangsfrequenz die Zündzeitpunkte der Thyristoren festlegt, und mit einer an die induktive Wicklungsanordnung angeschlossenen Ausgangsschaltung, an der die umgerichtete Ausgangswechselspannung abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit benachbarten Phasen verbundenen Thyristoren gleicher Polung jeweils verschiedenen Thyristorgruppen (A, B bzw. C, D) angehören, wobei die Anzahl der Thyristoren in jeder Gruppe durch die Anzahl der Phasen der mehrphasigen Spannungsquelle und durch die Stromflußperiode der steuerbaren Thyristoren bestimmt ist, daß eine erste Zwischenphasenwicklung (38; 71, 71'; 91, 92, 95) die Thyristorgruppen (32 bis 37; 61 bis 69; 77 bis 89) der einen Polung und eine zweite Zwischenphasenwicklung (39; 73; 73'; S3,94, 96) die Thyristorgruppen (32' bis 37'; 61'; bis 69'; 77' bis 89') der anderen Polung miteinander verbindet, daß die erste Zwischenphasenwicklung und die zweite Zwischenphasenwicklung direkt miteinander verbunden sind und daß an diese Direktverbindung (41; 75; 98) die Ausgangsschaltung (23, 24) angeschlossen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenphasenv/icklung (z. B. 38 in Fig. 1) eine hinreichend große induktive Entkopplung zwischen den mit ihnen verbundenen Thyristorgruppen (z. B. A, B in F i g. 1) bewirken, so daß in jeder der betreffenden induktiv entkoppelten Thyristorgruppen gleichzeitig einer der Thyristoren (z. B. 32,35 in F i g. 1) im leitenden Zustand sein kann, wenn an den Thyristoren sich überlappende Eingangsspannungen(z. B.ei,e-iinFig. 1)liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung (23,24) eine Filtereinrichtung enthält, die zumindest teilweise durch die Streureaktanz die Zwischenphasenwicklungen (z. B. 38, 39 in F i g. 1) gebildet wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprü- ■ ehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zwischenphasenwicklung (38,39; 71,73; 71', 73'; 91, 92, 93, 94) mehrere Zwischenphasenwicklungsteile (oberer und unterer Wicklungsteil der Wicklungen) so (38,39;91,92,93,94) sowie Wicklungsteile (71a, TXb, 71c, 73a, 736, 73c, 71a', 716', 71c', 73a', 736', 73c'; aufweist, die induktiv und leitend miteinander gekoppelt sind, und das jeweils ein Zwischenphasenwicklungsteil an einer der Thyristorgruppen (z. B. A, B₁QDmFi g. 1) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenphasenwicklungen (91, 92, 93, 94) paarweise angeordnet sind und dem ersten Zwischenphasenwicklungspaar (91, 92) sowie dem zweiten Zwischenphasenwicklungspaar (93, 94) jeweils eine Hilfszwischenphasenwicklung (94, 96) zugeordnet ist, die das jeweilige Zwischenphasenwicklungspaar induktiv und leitend miteinander koppeln, und daß die Direktverbindung zwischen den Hilfszwischenphasenwicklungen (95, 96) vorgesehen ist (F i g. 4).

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer sechsphasigen Spannungsquelle (31) die Thyristorgruppen (A, B) der einen Polung und die Thyristorgruppen (C, D) der anderen Polung jeweils aus je zwei Gruppen mit drei Thyristoren (32 bis 34, 35 bis 37, 32' bis 34', 35' bis 37') in jeder Gruppe bestehen, wobei jeweils ein Thyristor der einen Polung und der anderen Polung einer der sechs Phasen zugeordnet ist (F i g. 1).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer neunphasigen Spannungsquelle (49) die Thyristorgruppen der einen Polung und die Thyristorgruppen der anderen Polung jeweils aus je drei Gruppen mit Thyristoren (61 bis 63,64 bis 66,67 bis 69,61' bis 63', 64' bis 66', 67' bis 69') in jeder Gruppe bestehen, wobei jeweils ein Thyristor der einen Polung und der anderen Polung einer der neun Phasen zugeordnet ist (F ig. 3).

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zwölfphasigen Spannungsqueüe die Thyristorgruppen der einen Polung und die Thyristorgruppen der anderen Polung jeweils aus je drei Gruppen mit vier Thyristoren (77 bis 81,82 bis 85,86 bis 89, 77' bis 81', 82' bis 85', 86' bis 89') in jeder Gruppe bestehen, wobei jeweils ein.Thyristor der einen Polung und der anderen Polung einer der zwölf Phasen zugeordnet ist(Fig. 5).

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer zwölfphasigen Spannungsquelle (76) die' Thyristorgruppen der einen Polung und die Thyristorgruppen der anderen Polung jeweils aus je vier Gruppen mit drei Thyristoren (77 bis 79, St bis 83,84 bis 86,37 bis 89, 77' bis 79', 81' bis 83', 84' bis 86', 37' bis 89') in jeder Gruppe bestehen, wobei jeweils ein Thyristor der einen Polung und der anderen Polung einer der zwölf Phasen zugeordnet ist (F i g. 4).

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der Anzahl der Phasen der mehrphasigen Spannungsquelle und dem Verhältnis der Frequenz der mehrphasigen Spannungsquelle zur niedrigeren Frequenz der umgerichteten Wechselspannung ein Minimalwert von 18 zu 1 ist.

11. Umrichteranlage mit mehreren Schaltungsanordnungen nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung einer umgerichteten mehrphasigen Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Ausgangsphase (V_A) ein getrennter Umrichter (101/4^ vorgesehen ist, daß die Umrichter an eine einzige mehrphasige Spannungsquelle (106) angeschlossen sind, daß die Sollfrequenzquelle der Umrichter eine gemeinsame Sollfrequenzquelle (111, 112) für alle Umrichter enthält und daß das Sollfrequenzsignal, das den einzelnen Umrichtern zugeführt wird, ein mehrphasiges Signal ist, dessen

Phasenzahl gleich der Anzahl der gewünschten Ausgangsphasen ist.

12. Umrichteranlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage eine umgerichtete Drei-Phasen-Spannung (V_A, Vb, Vc) liefert, daß die Anlage drei Ein-Phasen-Umrichter (101Λ, 101B, 101 C) enthält und daß das von der gemeinsamen Sollfrequenzquelle (111, 112) an die einzelnen Ein-Phasen-Umrichter gelieferte Sollfrequenzsignal dreiphasig mit einem Phasenwinkel von jeweils 120° zwischen den Phasen ist.