DE2264017C3 - Unsymmetrisch halbgesteuerte Einphasen-Stromrichterbrücke und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine unsymmetrisch halbgesteuerte Einphasen-Stromrichterbrücke mit steuerbaren und nicht steuerbaren Stromrichterventilen und einer in der Brückendiagonalen befindlichen Sekundärwicklung eines Transformators, bei der parallel zu jedem steuerbaren Stromrichterventil jeweils eine aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators und eines Löschthyristors bestehende Löscheinrichtung zur Zwangskommutierung geschaltet ist, wobei die Löschkondensatoren an der mit dem Transformator verbundenen Seite der steuerbaren Stromrichterventile angeschlossen sind, und bei der die Verbindungspunkte zwischen Löschkondensator und Löschthyristor jeweils über eine Ladediode mit dem Transformator verbunden sind.

Eine Einphasen-Stromrichterbrücke dieser Art ist aus der Zeitschrift »Elektrische Bahnen«, Heft 1,1972, S. 15, Bild 3a, bekannt.

Solche erst in letzter Zeit entwickelten Stromrichterbrücken werden insbesondere dann eingesetzt, wenn es darauf ankommt, einen möglichüt guten Leistungsfaktor zu erzielen und die bei der Verwendung von Stromrichtern anfallende Blindleistung möglichst gering zu halten. Eine Eigenart solcher Stromrichterbrücken ist es, daß beim Löschen der steuerbaren Stromrichterventile mittels der ihnen zugeordneten Löscheinrichtungen am Stromrichterbrückenausgang eine Spannungsspitze auftritt, weil die am Löschkondensator anstehende

Spannung nach dem Zünden des zugehörigen Löschthyristors zur Transformatorspannung in Reihe geschaltet wird, so daß kurzzeitig die Summe beider Spannungen am Verbraucher liegt.

Diese Spannungsspitze wird im allgemeinen von einer dem Verbraucher vorgeschalteten Induktivität bzw. Drosselspule aufgenommen, so dafr sie für den Verbraucher unschädlich ist. Wenn der eigentliche Verbraucher jedoch selbst induktiv ist, wie z. B. bei einer Feldspeisung oder im gewissen Umfang bei der Speisung eines Gleichstrom-Motors, dann ist die Spannungsaufteilung im gewünschten Sinne schwer zu verwirklichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einphasen-Stromrichterbrücke der eingangs genannten Art in der Weise zu verbessern, daß die Löschspannungsspitze und der Aufwand an Löschkondensatoren herabgesetzt wird, ohne daß dadurch die eigentliche Funktionsweise der Stromrichterbrücke beeinträchtigt wird. Hierzu enthält die genannte Literaturstelle die Anregung, die Löscheinrichtung an Anzapfungen der Transformatorwicklung anzuschließen. Gemäß einem älteren Vorschlag (DE-OS 21 51 006, Fig.2) geschieht dies in der Weise, daß die Löschkondensatoren mit ihrem Verbindungspunkt an die Anzapfung angeschlossen sind. Die vorliegende Erfindung geht einen anderen Weg.

Die genannte Aulgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Kennzeichen der Ansprüche 1 ι der 6 genannten Merkmale gelöst.

Beiden Lösungen ist das Prinzip gemeinsam, die Ladedioden an Anzapfungen des Transformate/s anzuschließen. Dies hat jedoch ohne zusätzliche Maßnahmen eine Beeinträchtigung der Funktionsweise der Stromrichterbrücke zur Folge, da die Löschthyristoren nicht nur die Löschung der steuerbaren Stromrichterventile bewirken, sondern auch zusammen mit den nichtsteuerbaren Stromrichterventilen eine Stromrichterbrücke für Teilspannung bilden.

Gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 wird dies in vorteilhafter Weise ausgenutzt, um die Aussteuerung der Stromrichterbrücke auf eine durch die Transformatoranzapfung bestimmte Teilgleichspannung zu ermöglichen, was eine besonders feinstufige Einstellung der Gleichspannung beim Hochfahren der Stromrichterbrücke zur Folge hat. Durch die vorgeschlagene Stromrichterbrücke wird somit die aus der CH-PS 5 29 470 bekannte Folgesteuerung von zwei wechselstromseitig in Reihe geschalteten steuerbaren Stromrichterbrücken ermöglicht mit dem dieser bekannten Folgesteuerung gegenüber zusätzlichen Vorteil, mit denkbar geringem Aufwand die blindleistungssparende Zwangskommutierung anzuwenden.

Ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Einphasen-Stromrichterbrücke ist daher dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgleichspannung der Einphasen-Stromrichterbrücke in der Weise von Null auf den vollen Wert gebracht wird, daß

a) zunächst nur die steuerbaren Stromrichterventile von einem Steuerwinkel a-180°el ausgehend im üblichen Anschnittsteuerverfahren auf etwa 5% der Ausgangsgleichspannung ausgesteuert werden,

b) daß sodann die über die Ladedioden mit den Anzapfungen der Sekundärwicklung des Transformators verbundenen Löschthyristoren mit einem bis auf « = 0°el abfallenden Steuerwinkel im üblichen Anschnittsteuerverfahren ausgesteuert werden und

el daß danach die steuerbaren Stromrichterventile

frühestmöglich gezündet und durch Zünden der Löschthyristoren, deren Zündung von <x = 0° bis zu α = 180° verlagert wird, wieder gelöscht werden.

Wenn diese Folgesteuerung nicht gewünscht wird, kann auch die bekannte einfache Steuerung angewendet werden, wenn gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 6 die Bildung einer Stromrichterbrücke für Teilspannung durch Anordnung eines Dämpfungswiderstandes und Kondensators praktisch unterbunden wird.

Anhand der Zeichnung seien Ausführungsbeispiele der Erfindung, die auch in den Unteransprüchen gekennzeichnete Ausgestaltungen aufweisen, erläutert.

F i g. 1 zeigt die Starkstromschaltung eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung.

F i s». 3 zeigt eine Abwandlung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Die F i g. 2 und 4 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen der in Fig. 1 dargestellten Stromrichterbrücke. In F i g. 5 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb der Stromrichterbrücke gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert.

Die in Fig. 1 dargestellte Einphasen-Stromnchterbrücke enthält je zwei gleichstrommäßig in Reihe geschaltete nichtsteuerbare Stromrichterventile 1, 2 (Dioden) und steuerbare Stromrichterventile 3, 4 (Thyristoren) In der Brückendiagonalen der aus diesen Stromrichterventilen gebildeten Stromrichierbrücke ist die Sekundärwicklung 5 eines Transformators angeordnet, der die ' peisende Wechselspannung liefert.

Jedem steuerbaren Stromrichterventil 3, 4 ist eine Löscheinrichtung zugeordnet, die aus der Reihenschaltung je eines Löschkondensators 6, 7 und je eines Löschthyristors 8, 9 besteht, wodurch der Stromfluß über die steuerbaren Stromrichterventile zu frei wählbaren Zeitpunkten unterbrochen werden kann. Zur Aufladung der Löschkondensatoren 6, 7 sind Ladedioden 10, It vorgesehen, die an Anzapfungen der Sekundärwicklung 5 des Transformators, vorzugsweise etwa in der Mitte der Wicklung, angeschlossen sind.

Die gleichstromseitige Last ist durch die Reihenschaltung einer Glättungsdrossel 17 und eines Gleichstrommotors 18 gegeben. Der Anschluß der Ladedioden an Anzapfungen hat den Vorteil, daß die zum Löschen verwendeten Kondensatoren 6, 7 nicht auf die volle Scheitelspannung der speisenden Wechselspannung aufgeladen werden, sondern nur auf eine Teilspannung, so daß die beim Zünden der Löschthyristoren 8, 9 auftretenden Spannungsspitzen in der Ausgangsgleichspannung geringer sind.

Außerdem ist dadurch in vorteilhaft ausnutzbarer Weise bedingt, daß die Löschthyristoren 8, 9 nicht nur zur Löschung dienen, sondern — in Verbindung mit den Ladedioden — auch die Abgabe einer Teilgleichspannung ermöglichen.

Die Funktionsweise diener Anordnung ist folgende: Über die Ladedioden 10, U werden die beiden Löschkondensatoren 6,7 aufgeladen. Durch Zünden der Löschthyristoren 8 bzw. 9 zu einem wählbaren Zeitpunkt kann die Entladung des mit ihnen in Reihe geschalteten Löschkondensators 6 bzw. 7 und damit die Löschung des ihnen zugeordneten steuerbaren Stromrichterventils 3 bzw. 4 bewirkt werden. Dabei wird der Löschkondensator jeweils auf die entgegengesetzte Polarität umgeladen, weil der über den Stromrichtertransformator fließende Strom vom steuerbaren Stromrichterventil auf den gezündeten Löschthyristor kommutiert und dabei die insbesondere in der Induktivität

des Transformators gespeicherte Energie an die im Umladekreis wirksame Kapazität abgibt. Es sei beispielsweise angenommen, daß das steuerbare Stromrichterventil 3 Strom führe. Durch Zünden des Löschthyristors 8 wird dann der aufgeladene Löschkondensator 6 parallel zum Stromrichterventil 3 geschaltet, wodurch dieses löscht. Der durch die Sekundärwicklung 5 des Transformators fließende Strom kommutiert vom Ventil 3 auf den Löschthyristor 8, so daß der Löschkondensator 6 umgeladen wird.

In F i g. 2 ist in Reihe zu den Löschkondensatoren 6,7 je ein Dämpfungswiderstand 12, 13 mit je einer parallelen Entladediode 14,15 geschaltet. Dadurch wird erreicht, daß zwar die Aufladung der Kondensatoren 6, 7 durch die Netzwechselspannung gedämpft erfolgte, die Entladung zum Zwecke der Löschung der steuerbaren Stromrichterventile dagegen ungedämpft abläuft. Dadurch ist die Schonzeit der steuerbaren Stromrichterventile in der bisher bekannten Weise sichergestellt.

In Fig.3 ist eine abgewandelte Anordnung zur Reduzierung der beim Löschen auftretenden Spannungsspitze dargestellt. Hier sind die Ladedioden 10,11 über einen gemeinsamen Dämpfungswiderstand 12, dem ein Kondensator 16 in Reihe geschaltet ist, mit der Anzapfung der Sekundärwicklung 5 des Transformators verbunden. Der dem Dämpfungswiderstand 12 in Reihe geschaltete Kondensator 16 hat vorzugsweise eine größere Kapazität als die Löschkondensatoren 6, 7. Er bestimmt zusammen mit den Löschkondensatoren die Schonzeit der steuerbaren Stromrichterventile. Bei dieser Anordnung ist durch den Dämpfungswiderstand 12 in Verbindung mit dem Kondensator 16 die Abgabe einer Teilgleichspannung (bei gelöschten Stromrichterventilen 3 und 4) im wesentlichen unterbunden. Diese Stromrichterbrücke arbeitet daher nach der an sich bekannten zwangskommutierten Phasensteuerung der gesamten Halbwelle, jedoch mit verminderter Löschspannung.

Zur weiteren Spannungsbegrenzung nach der Löschung kann bei den beschriebenen Anordnungen noch ein bereits durch die deutsche Patentanmeldung P 22 09 293.9-32, angemeldet am 22. Februar 1972, vorgeschlagener nur monopoiar beanspruchter Zusatzkondensator, der den Löschkondensatoren nur zeitweise wirksam parallel geschaltet ist, vorgesehen werden.

In F i g. 4 ist ein derartiger Zusatzkondensator 23 den Löschkondensatoren 6, 7 über Koppeldioden 19, 20, 21, 22 parallel geschaltet. Durch die Polung der Koppeldioden ist der Zusatzkondensator 23 nur während des Umschwingens der Löschkondensatoren 6, 7, also nur auf eine Polarität, aufladbar. Durch die am Löschkondensaior 6 bzw. 7 anstehende Löschspannung ist die Koppeidiode li» bzw. 20 in Sperrichtung beansprucht, so daß der Zusatzkondensator von den Löschkondensatoren entkoppelt ist. Erst in dem Augenblick, in dem sich die Polarität der Kondensatorspannung während des durch Zündung des Löschthyristors 8 bzw. 9 ausgelösten Umkehrungsvorganges umkehrt, wird die Koppeldiode 19 bzw. 20 leitend, so daß der Zusatzkondensator 23 parallel zum Löschkondensator 6 bzw. 7 geschaltet wird. Das hat unter anderem zur Folge, daß der Löschkondensator und der Zusatzkondensator — wegen der größeren wirksamen Kapazität — auf eine niedrigere Spannung aufgeladen werden, ohne daß sich die größere Kapazität während der übrigen Betriebszeit negativ bemerkbar machen kann. Die Energie des Zusatzkondensators 23 wird im übrigen durch Zünden der steuerbaren Slromrichterventile 3, 4, vorzugsweise am Ende der Spannungshalbwelle, direkt der Last 17,18 zugeführt. Eine Umladung des Zusatzkondensators findet nicht statt.

In F i g. 5 ist das eingangs erwähnte Verfahren zum Betrieb des ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Stromrichterbrücken mit Abgabe einer Teilgleichspannung aufgrund der angezapften Sekundärwicklung schematisch dargestellt. Die jeweils von

ίο der Stromrichterbrücke abgegebene Gleichspannung ist durch schraffierte Flächen bei verschiedenen Aussteuerungszuständen über einer Halbperiode der Wechselspannung dargestellt, wenn die Gleichspannung von 0 aus bis zum Maximalwert verändert werden soll.

is Nach Fig.5a wird zunächst mit den steuerbaren Stromrichterventilen 3, 4 ein Gleichspannungswert eingestellt, der etwa 5% der maximalen Spannung nicht überschreitet. Dann erfolgt gemäß Fig.5b die weitere Gleichspannungssteigerung durch Zündung der Löschthyristoren 8, 9. Zu Beginn tritt eine typische Spannungsspitze auf, die durch die Entladung des Löschkondensators bedingt ist. Anschließend ergibt sich eine Spannungszeitfläche, die aufgrund der Anzapfung des Transformators bestimmt ist. Würde man mit dieser Teilspannung anfahren, so könnte es am Anfang zu einem stoßartigen Einsatz der Gleichspannung kommen, die nicht jeder Verbraucher zuläßt. Daher wird gemäß Fig. 5a mit den steuerbaren Stromrichterventilen 3, 4 angefahren, was zu einem minimalen

y> Blindleistungsstoß auf der Netzseite führt. Ist gemäß F i g. 5c die volle Teilgleichspannung ausgefahren, werden gemäß F i g. 5d die steuerbaren Stromrichterventile 3, 4 am Anfang der Halbwelle gezündet und später durch Zündung der L.öschthyristoren 8, 9

is gelöscht. Dadurch wird der Sirom von den steuerbaren Stromrichterventilen 3, 4 und der Hauptwicklung des Transformators 5 auf die Löschthyristoren 8, 9 und die Teilwicklung des Transformators 5 kommutiert. Die Löschthyristoren führen den Strom dann bis zum Ende der Halbperiode weiter, so daß sich der in Fig. 5d dargestellte Spannungsverlauf ergibt. Eine Steigerung der Gleichspannung erfolgt durch zeitliche Rückverlegung des Löschzeitpunktes, wie durch den Pfeil angedeutet ist. Außerdem werden beide steuerbaren

4S Stromrichterventile zusammen am Ende der Halbwelle zum Zwecke der Entladung des Kondensators 23 gezündet, was zu der angedeuteten Spannungsspitze am Ende der Halbperiode führt.

Aus den bisherigen Darlegungen geht hervor, daß die in den Ausführungsbeispielen eingesetzten Löschthyristoren teilweise Mehrfachfunktionen erfüllen. Die beim Löschen auftretende Spannungsspitze kann auf etwa die Hälfte der Werte vermindert werden, die in den bisher bekannten Schaltungen auftraten. Außerdem kann bei der hier erfolgenden Löschung die Umschwingspan nung am Löschkondensator 6, 7 allein schon dadurch begrenzt werden, daß die Haupt- und Teilwicklung dei Sekundärwicklung 5 des Transformators magnetisch gut verkettet ist Es ist daher nicht nötig, die beim

fto Löschabschalten umzusetzende magnetische Energie Hj- in den Kondensatoren 6,7 zwischenzuspeichern. Eil

großer Teil dieser Energie wird dem Gleichstromver braucher 17, 18 schon während der Löschuni <>5 unmittelbar zugeführt Damit kann der Kondensatorauf wand vermindert werden. Die strommäßige Auslegunj der Löschthyristoren 8,9 ist dabei problemlos.

Ilki

HI.Mil

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Unsymmetrisch halbgesteuerte Einphasen-Stromrichterbrücke mit steuerbaren und nichtsteuerbaren Stromrichterventilen und einer in der Brückendiagonalen befindlichen Sekundärwicklung eines Transformators, bei der parallel zu jedem steuerbaren Stromrichterventil jeweils eine aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators und eines Löschthyristors bestehende Löscheinrichtung zur Zwangskommutierung geschaltet ist. wobei die Löschkondensatoren an der mit dem Transformator verbundenen Seite der steuerbaren Stromrichterventile angeschlossen sind, und bei der die Verbindungspunkte zwischen Löschkondensator und Löschthyristor jeweils über eine Ladediode mit dem Transformator verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedioden (10, 11) an Anzapfungen der Sekundärwicklung (5) des Transformators angeschlossen sind und die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß in einem unteren Spannungsbereich die Löschthyristoren (8, 9) in Verbindung mit den nichtsteuerbaren Stromrichterventilen (1, 2) bei gesperrten steuerbaren Stromrichterventilen (3, 4) als eine im Anschnitt steuerbare Stromrichterbrücke für Teüspannung dienen, während im oberen Spannungsbereich die Zwangskommutierung durch die Löscheinrichtung von der die steuerbaren Stromrichterventile (3, 4) einschließenden Stromrichterbrücke für die volle Spannung auf die genannte Stromrichterbrücke für die Teüspannung erfolgt.

2. Einphasen-Stromrichterbi ücke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedioden (10, 11) etwa in der Mitte der Sekundärwicklung (5) der Transformatorwicklung angeschlossen sind.

3. Einphasen-Stromrichterbrücke nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Löschkondensatoren (6, 7) je ein Dämpfungswiderstand (12,13) in Reihe geschaltet ist.

4. Einphasen-Stromrichterbrücke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Dämpfungswiderständen (12, 13) je eine Entladediode (14, 15) parallel geschaltet ist, in solcher Polung, daß sie während der Ladung gesperrt und während der Entladung der Löschkondensatoren (6, 7) leitend sind.

5. Verfahren zum Betrieb einer Einphasen-Stromrichterbrücke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgleichspannung der Einphasen-Stromrichterbrücke in der Weise von Null auf den vollen Wert gebracht wird, daß

a) zunächst nur die steuerbaren Stromrichterventile (3, 4) von einem Steuerwinkel «=180°el ausgehend im üblichen Anschnittsteuerverfahren auf etwa 5% der Ausgangsgleichspannung angesteuert werden,

b) daß sodann die über die Ladedioden (10,11) mit den Anzapfungen der Sekundärwicklung (5) des Transformators verbundenen Löschthyristoren (8, 9) mit einem bis auf « = 0°el abfallenden Steuerwinkel im üblichen Anschnittsteuerverfahren ausgesteuert werden und

c) daß danach die steuerbaren Stromrichterventile (3, 4) frühestmöglich gezündet und durch Zünden der Löschthyristoren (8, 9), deren

Zündung von λ = 0° bis zu «=180° verlagert wird, wieder gelöscht werden.

6. Unsymmetrisch halbgesteuerte Einphasen-Stromrichterbrücke mit steuerbaren und nichtsteuerbaren Stromrichterveniilen und einer in der Brückendiagonalen befindlichen Sekundärwicklung eines Transformators, bei der parallel zu jedem steuerbaren Stromrichterventil jeweils eine aus der Reihenschaltung eines Löschkondensators und eines Löschthyristors bestehende Löscheinrichtung zur Zwangskommutierung geschaltet ist, wobei die Löschkondensatoren an der mit dem Transformator verbundenen Seite der steuerbaren Stromrichterventile angeschlossen sind, und bei der die Verbindungspunkte zwischen Löschkondensator und Löschthyristor jeweils über eine Ladediode mit dem Transformator verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladedioden (10,11) über einen gemeinsamen Dämpfungswiderstand (12), dem ein Kondensator (16) in Reihe geschaltet ist, mit einer Anzapfung der Sekundärwicklung (5) des Transformators verbunden sind.

7. Einphasen-Stromrichterbrücke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des dem Dämpfungswiderstand (12) vorgeschalteten Kondensators (16) größer ist als die der Löschkondensatoren (6,7).

8. Einphasen-Stromrichterbrücke nach einem der Ansprüche 1 bis 4,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Löschkondensatoren (6,7) über Koppeldioden (19, 20, 21, 22) ein Zusatzkondensator (23) parallel geschaltet ist, welcher aufgrund der Polung der Koppeldioden nur während des Umschwingens der Löschkondensatoren (6, 7) aufladbar und über die steuerbaren Stromrichterventile (3, 4) auf die Last (17,18) entladbar ist.