DE2920275A1

DE2920275A1 - Elektrischer umformer fuer wechselstromgespeiste elektrofahrzeug

Info

Publication number: DE2920275A1
Application number: DE19792920275
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Ishikawa; Kyozo Tachibana; Yoshio Tsutsui
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-05-25
Filing date: 1979-05-18
Publication date: 1979-12-13
Also published as: FR2427002A1; SE7904528L; US4245291A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Umformer für Elektrofahrzeuge.

Bei wechselstromgespeisten Elektrofahrzeugen wandelt ein Gleichrichtersystem die über den Fahrdraht zugeführte Wechselspannung in Gleichspannung um, die einen elektrischen Gleichstrommotor speist. Start und Drehzahl des Gleichstrommotors werden durch Regelung der Ausgangsgleichspannung des Gleichrichtersystems geregelt.

Das Gleichrichtersystem enthält Gleichrichterbrücken mit zwei oder mehr Thyristoren, deren Steuer-Phasenwinkel zur Einstellung der Ausgangsgleichspannung geregelt werden. Da an die Ausgangsseite der Gleichrichterbrücken eine Glättungsdrossel mit hoher Induktivität angeschlossen ist, ähnelt der Verlauf des Wechselstroms durch die Brückengleichrichterschaltungen auf der Ausgangsseite mehr einer Rechteck- als einer Sinuswelle, wenn die Thyristoren phasengeregelt werden. Dies führt zu einem hohen Anteil Höherharmonischer im Strom der Energiequelle. Höherharmonische Ströme im Fahrdraht können aber zu Störungen auf Nachrichtenübertragungs- und Signalleitungen führen.

Zur Verminderung der höherharmonischen Ströme ist bereits eine Anordnung bekannt, bei der die Sekundärwicklung eines Transformators in mehrere Abschnitte unterteilt ist, die je an eine Gleichrichterbrückenschaltung angeschlossen sind. Sämtliche Gleichspannungs-Ausgangsklemmen der Gleichrichterbrückenschaltungen sind miteinander in Reihe geschaltet (US-PSn 4 030 018, 3 419 786) .

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Die an die Sekundärwicklungen eines Transformators anzuschließenden Gleichrichterbrückenschaltungen können phasengeregelt sein, wobei die Ausgangsspannung dauernd variabel ist. Ebenso ist es möglich, eine Nicht-Phasenregelung vorzusehen, bei der die Ausgangsgleichspannung konstant ist. Eine phasengeregelte Gleichrichterbrücke kann vier Thyristoren oder zwei Paare von Thyristoren und Dioden enthalten, die jeweils zu einer Brücke geschaltet sind. Die Ausgangsgleichspannung der Gleichrichterbrücke wird durch Regelung der Regelphasenwinkel der Thyristoren verändert. Die aus der US-PS 4 030 018 bekannte Gleichrichterbrücke enthält zum Beispiel zwei Thyristoren und zwei Dioden; sie wird als komplexe Gleichrichterbrückenschaltung bezeichnet. Eine nicht phasengeregelte Brückenschaltung kann vier überbrückte Dioden enthalten (zum Beispiel US-PS 3 419 786), wobei ein an den Ausgang der Gleichrichterbrücke angeschlossener Schalter die Ausgangsgleichspannung ein- und ausschaltet. Bei geschlossenem Schalter liefert die Gleichrichterbrücke eine maximale Ausgangsspannung. Der Schalter kann durch eine komplexe Gleichricherschaltung ersetzt werden (US-PS 4 030 018). In diesem Falle dienen die Thyristoren sowohl als Schalter als auch als Dioden, wobei ihre Phasenregelwinkel im wesentlichen gleich Null gehalten werden.

Zur weiteren Verminderung der höherharmonischen Ströme ist es bekannt, zuzulassen, daß Thyristoren jeder Gleichrichterbrücke unterschiedliche Phasenwinkel oder Kommutierungs-überlappungswinkel haben (US-PS 4 122 515).

Bei Verwendung eines einzigen Transformators können die harmonischen Ströme durch die oben beschriebenen Anordnungen vermindert werden. Werden jedoch die an die Sekundärwicklungen mehrerer Transformatoren angeschlossenen Gleichrichterbrücken

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in einem Elektrofahrzeug gleichzeitig phasengeregelt, das mit mehreren Transformatoren versehen ist, so haben sämtliche durch die Primärwicklungen der Transformatoren fließenden Ströme im wesentlichen gleiche Phase und Wellenform. Diese Ströme überlappen den speisenden Wechselstrom und der Anteil der höherharmonischen Ströme im Strom der Wechselspannungsquelle steigt proportional zur Anzahl der verwendeten Transformatoren.

Diese Nachteile können durch gegenseitige Verschiebung der Phasen der Primärwicklungsströme der Transformatoren vermieden werden. So ist es beispielsweise aus der japanischen Patentveröffentlichung 35944/76, veröffentlicht am 5. Oktober 1976, bekannt, jede Sekundärwicklung mehrerer Transformatoren derart in Abschnitte zu unterteilen, daß jeder Transformator wenigstens einen Wicklungsabschnitt aufweist, wobei die Abschnitte unterschiedliche Spannungen liefern, wodurch die Primärströme der Transformatoren voneinander verschoben werden. Bei einer solchen Anordnung hat jedoch jeder Transformator auf der Sekundärseite unterschiedliche Windungszahlen, so daß es unmöglich ist, mehrere Transformatoren mit gleichem Aufbau beispielsweise hinsichtlich Kernaufbau, Wicklungsaufbau und Abmessungen zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mangel und Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll ein Leistungsumformer für wechselstromgespeiste Elektrofahrzeuge geschaffen werden, der bei möglichst geringem·Anteil der höherharmonischen Ströme mehrere gleich aufgebaute Transformatoren enthält und leicht herzustellen ist.

Der erfindungsgemäße Leistungsumformer enthält mehrere Transformatoren mit einer Primärwicklung und mehreren Sekundärwicklungen, die die gleichen Ausgangsspannungen erzeugen, jedoch unterschied-

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liehe innere Blindwiderstände haben, sowie Gleichrichterbrückenschaltungen, die an die Sekundärwicklungen jedes Transformators angeschlossen sind, wobei die jedem Transformator zugeordneten Brückengleichrichterschaltungen einen phasengeregelten Brückengleichrichter enthalten und die an jeden phasengeregelten Brükkengleichrichter angeschlossenen Wicklungen voneinander unterschiedliche innere Blindwiderstände aufweisen.

Durch die Erfindung wird ferner ein Leistungsumformer geschaffen, der mehrere Transformatoren mit einer Primärwicklung und mehreren Sekundärwicklungen enthält, die die gleichen Ausgangsspannungen erzeugen, jedoch unterschiedliche innere Blindwiderstände haben, sowie phasengeregelte Brückengleichrichterschaltungen, die an die Sekundärwicklungen der Transformatoren angeschlossen sind, wobei die phasengeregelten Brückengleichrichterschaltungen so aufgebaut sind, daß sie gleichzeitig geregelt werden.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines ersten Umformers,

Fig. 2 den Querschnitt eines Teils des Wicklungsaufbaues eines Transformators, der als erster und zweiter Transformator der Ausführungsform der Fig. 1 verwendet werden kann,

Fig. 3 den Verlauf der Ausgangsspannungen der Brücken-

gleichrichterschaltungen des Ausführungsbeispiels der Fig. 1,

Fig» 4A

bis 4D den Verlauf der Spannungen und Ströme in der Betriebsart I des Ausführungsbeispiels der Fig. 1,

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Fig. 5A

bis 5F den Verlauf der Spannungen und Ströme in der

Betriebsart II des Ausführungsbeispiels der Fig.1,

Fig. 6A

bis 6H den Verlauf der Spannungen und Strome in jeder Betriebsart des Ausführungsbeipiels der Fig. 1,

Fig. 7 bei der tatsächlichen Beobachtung der harmonischen Ströme des Ausführungsbeispiels der Fig. erhaltene Osζillogramme,

Fig. 8 das Schaltbild eines zweiten Umformers und

Fig. 9 den Verlauf der Ausgangsspannungen der Brückengleichrichterschaltungen bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeipiels des erfindungsgemäßen Umformers. Ein erster Transformator 10 enthält eine Primärwicklung 12 und vier Sekundärwicklungen 14, 16, 18 und 20. Die Eingangsklemmen 21 und 22 der Primärwicklung 12 sind an eine einphasige Wechselspannungsquelle 23 angeschlossen; die Sekundärwicklungen 14, 16, 18 und 20 sind an Brückengleichrichter 24, 26, 28 bzw. 30 angeschlossen. Die Brückengleichrichter 24, 26 und 28 enthalten je vier Dioden 32, 34, 36, 38 bzw 40, 42, 44, 46 bzw. 48, 50, 52, 54. Jeder Brückengleichrichter bildet eine Dioden-Brückengleichrichterschaltung nicht phasengeregelter Art. Der Brückengleichrichter 30 enthält Thyristoren 56, 58 und Dioden 60, 62, die einen komplexen, phasengeregelten Brückengleichrichter bilden.

Die Ausgangsklemmen 64, 66 der Sekundärwicklung 14 sind über einen Schalter 76 an die Wechselspannungsklemmen 82, 84 des Brückengleichrichters 24, die Ausgangsklemmen 68, 70 der Sekundärwicklung 16 über einen Schalter 78 an die Wechselspannungs-

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klemmen 86, 88 des Brückengleichrichters 26 und die Ausgangsklemmen 72, 74 der Sekundärwicklung 18 über einen Schalter 80 an die Wechselspannungsklemmen 90, 92 des Brückengleichrichters 28 angeschlossen. Die Ausgangsklemmen 94, 96 der Sekundärwicklung 20 sind mit den Wechselspannungsklemmen 98, 100 des komplexen Brückengleichrichters 30 verbunden. Die Gleichstromklemmen 102, 104, 106, 108, 109, 110, 111 und 112 der Brückengleichrichter 24, 26, 28, 30 sind miteinander in Reihe geschaltet. Eine Glättungsdrossel 114 und ein Gleichstrommotor 116, der den Antriebsmotor des Elektrofahrzeugs darstellt, sind zwischen die Gleichspannungsklemmen 102 und 112 geschaltet.

Ein zweiter Transformator 120 enthält eine Primärwicklung 122 und vier Sekundärwicklungen 124, 126, 128 und 130. Die Anschlußklemmen 131, 132 der Primärwicklung 122 sind zusammen mit denen der Primärwicklung 12 des ersten Transformators 10 an die einphasige Wechselspannungsquelle 23 angeschlossen. Die Sekundärwicklungen 124, 126, 128, 130 sind mit Brückengleichrichtern 134, 136, 138 bzw. 140 verbunden. Die Brückengleichrichter 134, 136 und 140 enthalten je vier Dioden 142, 144, 146, 148 bzw. 150, 152, 154, 156 bzw. 158, 160, 162, 164; sie stellen je eine nicht phasengeregelte Gleichrichterbrücke dar.

Der komplexe, phasengeregelte Brückengleichrichter 138 enthält Thyristoren 166, 168 und Dioden 170, 172.

Die Ausgangsklemmen 174, 176 der Sekundärwicklung 124 sind über einen Schalter 186 an die Wechselspannungsklemmen 192, 194 des Brückengleichrichters 134, die Ausgangsklemmen 178, 180 der Sekundärwicklung 126 über einen Schalter 188 an die Wechselspannungsklemmen 196, 198 des Brückengleichrichters 136 und die Ausgangsklemmen 182, 184 der Sekundärwicklung 130 über einen Schalter 190 an die Wechselspannungsklemmen 200 und 202 des

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Brückengleichrichters 140 angeschlossen. Die Ausgangsklemmen 204, 206 der Sekundärwicklung 128 sind an die Wechselspannungsklemmen 208, 210 des komplexen Brückengleichrichters 138 angeschlossen. Die Gleichspannungsklemmen 212, 214, 216, 218, 219, 220, 221 und 222 der Brückengleichrichter 134, 136, 138, 140 sind miteinander in Reihe geschaltet. Eine Glättungsdrossel 224 und ein Gleichstrommotor 226, der das Elektrofahrzeug antreibt, sind zwischen die Gleichspannungsklemmen 212 und 222 geschaltet.

Die Motorströme I... und !..« der Gleichstrommotoren 116, 226

M1 M2

werden mittels Stroinwandlern 228 bzw. 230 erfaßt, deren Ausgangssignale S₁ und S_? Stromreglern 232 bzw. 234 zugeführt werden. Die Stromregler 232 und 234 vergleichen die erfaßten Ausgangssignale S. und S- jeweils mit einem von einem Regelsignalgenerator 236 eingespeisten Regelsignal S- zur Regelung von Phasenreglern 238 bzw. 240. Die Thyristoren 56, 58, 166, 168 werden somit derart geregelt, daß die Motorströme I_M1 und I _ gleich bzw. proportional dem Regelsignal S-, werden.

Wenn die Phasenregelwinkel der Thyristoren 56, 58, 166, 168 minimal werden {die komplexen Brückengleichrichter 30,138 erzeugen maximale Ausgangsgleichspannungen), so speisen die Phasenregler 238 und 240 Schaltbefehle S. und S₅ in Schaltersteuerungen 242 bzw. 244 ein und gleichzeitig steigen die Phasenregelwinkel der Thyristoren 56, 58, 166 und 168 auf maximale Phase. Auf jeden Schaltbefehl S₄ und S₅ schließen die Schaltersteuerungen 242, 244 die Schalter 80, 78 und 76 in dieser Reihenfolge bzw. die Schalter 188, 186 und 190 in dieser Reihenfolge .

Wie in Fig. 2 gezeigt, enthält der erste Transformator 10 einen Magnetkern 245, die Primärwicklung 12 mit drei Wicklungsab-

schnitten 248, 250 und 252, die asymmetrisch am Magnetkern 246 angeordnet sind, sowie die Sekundärwicklungen 14, 16, 18, 20. Die Sekundärwicklungen 14, 16 sind zwischen den Wicklungsabschnitten 248 und 250, die Sekundärwicklungen 18, 20 zwischen den Wicklungsabschnitten 250, 252 angeordnet. Da die Sekundärwicklungen 14, 16, 18, 20 an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind, sind ihre Streureaktanzen, von der PrimärSeite gesehen, unterschiedlich:

Sekundärwicklung 14 2,43 Ω

Sekundärwicklung 16 2,23 Ω

Sekundärwicklung 18 2,46 Ω

Sekundärwicklung 20 2,68 Ω

Der zweite Transformator 120 hat den gleichen Eisenkernaufbau, Wicklungsanordnung und die gleichen Abmessungen wie der erste Transformator 10. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der komplexe, phasengeregelte Brückengleichrichter 30 an die Sekundärwicklung 20 des ersten Transformators 10 und der komplexe, phasengeregelte Brückengleichrichter 138 an die Sekundärwicklung 128 des zweiten Transformators 120 angeschlossen, wobei die räumliche Anordnung der Sekundärwicklung 128 der der Sekundärwicklung 20 nicht entspricht. Das heißt, die Brückengleichrichter 30 und 138 sind jeweils an Sekundärwicklungen 20, 128 mit unterschiedlichem innerem Blindwiderstand angeschlossen.

Im Stillstand der Gleichstrommotoren 116, 126 (Fig. 1) sind die von den Stromwandlern 228, 230 erfaßten Ausgangssignale S.., S₂ beide gleich Null. Wenn das Regelsignal S- vom Regelsignalgenerator 236 erzeugt wird, regeln die Stromregler 232_y 234 die Phasenregler 238, 240 entsprechend dem Regelsignal S₃. Zunächst zünden die Phasenregler 238, 240 die Thyristoren 56, 58., 166,

168 beim maximalen Phasenwinkel α. Die Thyristoren 56, 166 werden während der positiven Halbwellen und die Thyristoren 30, 168 während der negativen Halbwellen eingeschaltet, so daß die von den schraffierten Teilen der Signale in der Betriebsart I (Fig. 3) wiedergegebenen Ströme zwischen den Gleichstromklemmen 111, 112 bzw. 219, 220 fließen. Da die Schalter 76, 78, 80, 186, 188, 190 geöffnet sind, liegen die Gleichspannungskiemmen der Brückengleichrichter 24, 26, 28, 134, 136, 140 auf 0 Volt' (Betriebsart I, Fig. 3). Die Ausgangsspannung des komplexen Brückengleichrichters 30 wird somit über die Brückengleichrichter 28, 26 und 24 in den Gleichstrommotor 116 und die Ausgangsspannung des komplexen Brückengleichrichters 138 über die Brückengleichrichter 136, 134, 140 in den Gleichstrommotor 226 eingespeist.

Wenn durch die Gleichstrommotoren 116, 126 Ströme I . und I_M2 fließen, so steigen die von den Stromwandlern 228, 230 erfaßten Ausgangssignale S₁, S„ an. Nach dem Anlauf der Gleichstrommotoren 116, 226 regeln die Stromregler 232, 234 die Phasenregler 238, 240 entsprechend der Differenz (S₃ - S₁) zwischen dem Regelsignal S₃ und dem erfaßten Ausgangssignal. S₁ bzw. der Differenz (S- - S₃) zwischen dem Regelsignal S₃ und dem erfaßten Ausgangssignal S~- Der Phasenregelwinkel α der Thyristoren 56, 58, 166, 168 wird somit automatisch derart geregelt, daß die Motorströme I₁ und I₂ gleich dem Regelsignal S₃ werden. Während die Gleichstrommotoren 116, 226 mit steigender Drehzahl umlaufen, nimmt der Regelwinkel α allmählich ab, wie durch den Pfeil in der Betriebsart I der Fig. 3 angedeutet. Die Ausgangsgleichspannungen der Brückengleichrichter 30, 138 und damit die Drehzahl der Gleichstrommotoren 116, 226 steigen an. Zur Vereinfachung ist hier angenommen, daß die Gleichstrommotoren 116, 226 die gleiche Lastkennlinie haben und ihnen gleiche Spannungen und Ströme zugeführt werden.

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In der Betriebsart I (Fig. 3) wird gemäß Fig. 4A in den Sekundärwicklungen jedes Transformators eine Wechselspannung Es erzeugt. Sind cu· und α die Phasenwinkel der komplexen, phasengeregelten Brückengleichrichter 30 bzw. 138, so fließen durch den ersten und zweiten Transformator 10 bzw. 120 die Ströme bzw. I₃ (Fig. 4A, 4B). Wie vorstehend beschrieben, ist der innere Blindwiderstand der Sekundärwicklung 20 des ersten Transformators 10 größer als die der Sekundärwicklung 130 des zweiten Transformators 120. Daher ist der Kommutierungs-Überlappungswinkel U₁₄ der Thyristoren 56, 58 größer als der Kommutierungs-Überlappungswinkel U₃₃ der Thyristoren 166, 168.

Um die beiden Gleichstrommotoren 116 und 226 mit gleicher Spannung und gleichem Strom speisen zu können, müssen die beiden komplexen Brückengleichrichter 30, 138 die gleiche Ausgangsspannung liefern. Die Stromregler 232, 234 vergleichen das Regelsignal S, mit dem erfaßten Ausgangssignal S₁ bzw. S„ und regeln die Phasenregler 238 bzw. 240. Infolgedessen wird der Regelwinkel α... der Thyristoren 56, 58 kleiner als der Regelwinkel a„₃ der Thyristoren 166, 168 (Fig. 4A, 4C) und die Kommutierungs-Ausschaltpunkte T_f für die komplexen Brückengleichrichter 30, 138 fallen überein. Da anzunehmen ist, daß die komplexen Brückengleichrichter 30, 138 die Ausgangsspannung nach dem Kommutierungs-Ausschaltpunkt T_ liefern, stimmen die Ausgangsspannungen der komplexen Brückengleichrichter 30, 138 überein, wie in Fig. 4A durch die" schraffierten "Teile, angedeutet. Daher sind die übereinstimmenden Verläufe der Ausgangsspannung für die komplexen Brückengleichrichter 30, 138 in der Betriebsart I der Fig. 3 gezeigt.

Der Verlauf des durch die einphasige Wechselspannungsquelle 23 fließenden Stromes I_Q ist etwa der gleiche wie der der Summe

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der Ströme I₁ . und I„_ (Fig. 4D). Da die Phasen der Ströme I₁₄ und I_?τ/ wie in Fig. 4B und 4C gezeigt, unterschiedlich sind, werden die Anteile der höherharmonischen Ströme im Strom der Spannungsquelle vermindert. Die Verminderung der harmonischen Ströme durch Phasenverschiebung ist in der US- PS 4 122 515 im einzelnen beschrieben.

Wenn der Regelwinkel α der Thyristoren 56, 68, 166, 168 die minimale Phase erreicht, geben die komplexen Brückengleichrichter 30, 138 die maximale Ausgangsgleichspannung ab. Zu dieser Zeit erzeugen die Phasenregler 238, 240 Schaltbefehle S₄ und S- und bringen gleichzeitig den Regelwinkel α der Thyristoren 56, 58, 166, 168 auf maximale Phase zurück. Auf die Schaltbefehle S. und S₅ schließen die Schalterregeleinrichtungen 242, 244 die Schalter 80 und 188. Darauf erzeugen die Brückengleichrichter 28, 136 die maximalen Ausgangsgleichspannungen, während die Ausgangsgleichspannungen der komplexen Brückengleichrichter 30, 138 gleich Null sind.

Der Regelwinkel α der Thyristoren 56, 58 nimmt dann, wie in Fig. 3, Betreibsart II gezeigt, allmählich ab und die Ausgangsgleichspannungen der komplexen Brückengleichrichter 30, 138 nehmen in der gleichen Weise zu wie in der Betriebsart I. Die Summe der Ausgangsspannungen der Brückengleichrichter 28, 30 liegt an den Gleichstromausgangsklemmen 102, 112 an, die Summe der Ausgangsspannungen der Brückengleichrichter 136, an den Ausgangsklemmen 212, 222. Diese Spannungen werden den Gleichstrommotoren 116, 226 über die Brückengleichrichter 26, 24 bzw. 134, 140 zugeführt. Die Stromregler 232, 234 regeln ferner die Phasenregler 238, 240 so, daß den Gleichstrommotoren 116, 226 die gleiche Spannung und der gleiche Strom zugeführt wird. In der Betriebsart II erzeugen die Brückengleichrichter 28, 136 während einer ganzen Periode (Fig. 3) Ausgangsgleich-

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Spannungen. Infolgedessen fließen gemäß Fig. 5B und 5C über die Sekundärwicklungen 18 und 126 des ersten bzw. zweiten Transformators 10 bzw. 120 Ströme I bzw. I . Die an die Brückengleichrichter 28 und 136 angeschlossenen Sekundärwicklungen 18 bzw. 126 haben unterschiedliche innere Blindwiderstände, nämlich 2,46 bzw. 2,23 Ω. Daher wird die Phase des über die Sekundärwicklung 18 mit verhältnismäßig großem innerem Blindwiderstand fließenden Stromes I₁- gegenüber der des durch die Sekundärwicklung 126 mit verhältnismäßig kleinem innerem Blindwiderstand fließenden Stroms I„„ verzögert.

Wenn die Thyristoren 56, 58, 166, 168 beim Steuerwinkel α gezündet werden, fließen durch die Sekundärwicklungen 20 und der Transformatoren 10 bzw. 120 Ströme I bzw. I₂₃ (Fig. 5D, 5E). Der Kommutierungs-Überlappungswinkel U₁₄ ¹ wird bestimmt durch den resultierenden inneren Blindwiderstand (5,04 Ω) der Sekundärwicklungen 18 und 20 des ersten Transformators 10; der Kommutierungs-überlappungswinkel U-· wird durch den resultierenden inneren Blindwiderstand (4,69 Ω) der Sekundärwicklungen 126, 128 des zweiten Transformators 120 bestimmt. Daher ist die Phasendifferenz zwischen den beiden Ströme größer als die in der Betriebsart I in Fig. 4 gezeigte.

Der durch die Wechselspannungsquelle 23 fließende Strom ist gleich der Summe der Ströme I₁^/ •^C22^{/ 1}Id ^un<^ ¹P^ ^unt^ ^^a^" ^^en in Fig. 5F gezeigten Verlauf. Die Phasen dieser Ströme sind unterschiedlich und die Anteile der harmonischen Strome im Strom der Spannungsquelle werden in gleicher Weise vermindert wie in der Betriebsart I.

Wenn Schalter 78, 76 zur Regelung der Thyristoren 56, 58, 166, 168 in der oben beschriebenen Weise eingeschaltet werden, ändern sich die Ausgangsspannungen der Brückengleichrichter 24, 26,

30, 134, 136, 138, 140 gemäß den Betriebsarten III und IV der Fig. 3. Die durch die Sekundärwicklungen 14, 16, 18 und 20 des ersten Transformators 10 und die Sekundärwicklungen 124, 126, 128 und 130 des zweiten Transformators 120 fließenden Ströme haben unterschiedliche Phase, so daß die Anteile der harmonischen Ströme im Strom der Spannungsquelle gering gehalten werden.

Fig. 6A bis 6H zeigen Oszillogramme mit der Darstellung des Verlaufs der Spannungsquellenspannung Ea und des Spannungsquellenstroms I_, wie sie bei einer tatsächlich ausgeführten Schaltung mit dem oben beschriebenen Aufbau beobachtet wurden. Fig. 6A bis 6D zeigen die Wellenformen, wenn der Regelwinkel α der Thyristoren 56, 58, 166, 168 in den Betriebsarten I bis IV in Fig. 3 gleich 90 ist; in den Fig. 6E bis 6H ist der

Regelwinkel α dieser Thyristoren gleich O¹. Die Oszillogramme zeigen, daß der Verlauf des Spannungsquellenstroms I_n verhältnismäßig glatt und an den Sinusverlauf in den Betriebsarten II bis V angenähert ist, in denen eine verhältnismäßig hohe Phasenabweichung angewandt wird, obwohl die Wellenformen in Betriebsart I nicht zufriedenstellend verbessert sind, in der die Phasenabweichung verhältnismäßig klein ist.

Fig. 7 zeigt die harmonischen Ströme im Spannungsquellenstrom und insbesondere den äquivalenten Störungsstrom J , der in einer Anordnung nach dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gemessen ist, bei der der Nennstrom jedes Gleichstrommotors 10 A,der Nenn-Primärstrom jedes Transformators gleich 20.Ά und die Nennspannung und der Nennstrom der einphasigen Wechselspannungsquelle 23 gleich 200 V bzw. 40 A sind. Die ausgezogenen Linien bezeichnen aus der erfindungsgemäßen Anordnung erhaltene Werte, die gestrichelten Linien zeigen Werte, die

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ohne Phasendifferenz zwischen den Sekundärwicklungen jedes Transformators gemessen wurden.

Nach, der US-PS 4 122 515 ergibt sich der äquivalente Störungsstrom J aus folgender Gleichung

^Jp^eVä <^sn ' V²

Darin sind I der Effektivwert des η-ten harmonischen Stroms im Spannungsquellenstrom und S die Gewichtung oder das Gewicht, das das Maß der durch den harmonischen Strom zu erzeugenden induktiven Störung bezeichnet.

In Betriebsart I (Fig. 7) sind die höherharmonischen Ströme kaum verringert. Dies dürfte daran liegen, daß der geringe Unterschied zwischen den Blindwiderständen der Sekundärwicklungen 20 und 130 eine unzureichende Phasendifferenz zur Folge hat.

Fig. 8 zeigt das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformers. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die komplexen, phasengeregelten Brückengleichrich— ter 30 und 31 jeweils an eine Sekundärwicklung eines Transformators und eine Sekundärwicklung des anderen Transformators angeschlossen und die komplexen Brückengleichrichter 30, 138 werden in den Betriebsarten I bis V wiederholt geregelt. Dies erfordert Schalter - Regeleinrichtungen, die so arbeiten, daß die nicht phasengeregelten Brückengleichrichter maximale Ausgangswerte liefern können, wenn der Regelwinkel α der Thyristoren in den komplexen, phasengeregelten Brückengleichrichtern 30,

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die maximale Phase erreicht. Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform ist dagegen ein phasengeregelter Brückengleichrichter an jede Sekundärwicklung jedes Transformators angeschlossen; diese phasengeregelten Brückengleichrichter werden in Sequenz geregelt. Schalter-Regeleinrichtungen oder Schalter werden daher nicht benötigt. Die gleichzeitig zu regelnden bzw. anzusteuernden Brückengleichrichter sind an Sekundärwicklungen mit unterschiedlichen inneren Blindwiderständen angeschlossen.

Gemäß Fig. 8 enthält ein erster Transformator 260 eine Primärwicklung 262 und vier Sekundärwicklungen 264, 266, 268 und 270. Die Anschlußklemmen 272, 274 der Primärwicklung 262 sind an eine einphasige Wechselspannungsquelle 276 angeschlossen; die Sekundärwicklungen 264, 266, 268 und 270 sind an komplexe, phasengeregelte Brückengleichrichter 278, 280, 282 bzw 284 angeschlossen. Der phasengeregelte Brückengleichrichter 278 enthält zwei Thyristoren 286, 288 und zwei Dioden 290, 292 und ist mit Wechselspannungsklemmen 294, 296 und Gleichspannungsquellen 298, 300 versehen.

Die anderen phasengeregelten Brückengleichrichter 280, 282, 284 haben den gleichen Aufbau wie der Brückengleichrichter 278 und weisen Wechselspannungsklemmen' 302, 304 bzw. 306, 308 bzw. 310, 312 sowie Gleichspannungsklemmen 314, 316 bzw. 318, 320 bzw. 322, 324 auf. Die Gleichspannungsklemmen 298, 300, 314, 316, 318, 320, 322, 324 sind in Reihe geschaltet. Zwischen die Gleichspannungsklemmen 298, 324 sind eine Glättungsdrossel 326 und Gleichstrommotor 328 zum Antreiben des Elektrofahrzeuge geschaltet.

Ein zweiter Transformator 330 enthält eine Primärwicklung 332 und vier Sekundärwicklungen 334, 336, 338, 340. Die Anschlußklemmen 342, 344 der Primärwicklung 332 sind an die einphasige

Wechselspannungsquelle 276 angeschlossen. Die Sekundärwicklungen 334, 336, 338, 340 sind an komplexe, phasengeregelte Brückengleichrichter 346, 348, 350, 352 angeschlossen. Die Brückengleichrichter 346, 348, 350, 352 haben den gleichen Aufbau wie die Brückengleichrichter 278, 280, 282,-284 und enthalten Wechselspannungsklemmen 354, 356 bzw. 358, 360 bzw. 362, 364 bzw. 366, 368 sowie Gleichspannungsklemmen 370, 372 bzw. 374, 376,- bzw. 378, 280 bzw. 382, 384. Die Gleichspannungsklemmen 370, 372, 374, 376, 378, 380, 382, 384 sind in Reihe geschaltet. Zwischen den Gleichspannungsklemmen 370, 384 liegen eine Glättungsdrossel 386 und ein Gleichstrommotor 388 zum Antreiben des Elektrofahrzeugs.

Die durch die Gleichstrommotoren 328, 388 fließenden Ströme und I_Mp werden von Stromwandlern 390, 392 erfaßt, deren Ausgangssignale S₁ bzw. S„ Stromreglern 394 bzw. 396 zugeführt werden. Die Stromregler 394, 396 vergleichen die erfaßten Ausgangssignale S₁ bzw. S- mit einem von einem Regelsignalgenerator 398 bereitgestellten Regelsignal S₃ und steuern die Phasenregler 398 bzw. 400. Der Regelwinkel α der Thyristoren jeder komplexen Gleichrichterbrücke wird somit derart phasengeregelt, daß die Ströme I .. und I₂ durch die Gleichstrommotoren 328 bzw. 388 gleich bzw. proportional dem Regelsignal S₃ werden.

Die Phasenregler 398 und 400 regeln gleichzeitig die Phasen ihrer zugehörigen phasengeregelten Gleichrichterbrücken, und zwar einzeln sequentiell. Das heißt, jeder Phasenregler regelt die Phase des nächsten phasengeregelten Brückengleichrichters, wenn der Phasen-Regelwinkel α der Thyristoren des vorhergehenden phasengeregelten Brückengleichrichters minimal wird (das heißt wenn die Ausgangsgleichspannung maximal ist).

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Bei dieser Ausführungsform ist die Regelfolge für beide Gruppen der komplexen Brückengleichrichter 284-»-28(R282-»-278 bzw. 350-*· 346-*352-*-348.

Auch bei dieser Ausführungsform haben der erste und zweite Transformator 260 bzw» 330 gleiche Kennwerte und Abmessungen wie der anhand Fig. 2 gezeigte Transformator. Daher haben die Sekundärwicklungen jedes Transformators unterschiedliche innere Blindwiderstände. Die Phasenregelfolge wird so bestimmt, daß jedes Paar gleichzeitig zu-regelnder Brückengleichrichter zum Beispiel das Paar 284 - 350 oder 280 - 346 an ihre zugehörigen Sekundärwicklungen mit unterschiedlichen inneren Blindwiderständen angeschlossen sind.

Anhand Fig. 9, die den Verlauf der Ausgangsspannungen der phasengeregelten Brückengleichrichter 278, 280, 282, 284, 346, 348, 350, 352 zeigt, wird die Arbeitsweise der Ausführüngsform der Fig. 8 beschrieben. In Betriebsart I in Fig. 9 werden die Phasenregelwinkel α der komplexen Brückengleichrichter 284, 350 gleichzeitig so geregelt, daß von maximaler Phase nach minimaler Phase verschoben wird. Diese Arbeitsweise ähnelt der der Betriebsweise I der Fig. 3.

In Betriebsart II werden die Phasenregelwinkel α der Brückengleichrichter 280, 346 gleichzeitig so geregelt, daß eine Verschiebung von maximaler auf minimale Phase erfolgt, wobei die Phasenregelwinkel α der Brückengleichrichter 284, 350 auf maximaler Phase gehalten werden". In Betriebsart III werden die Phasenregelwinkel α der Brückengleichrichter 282, 352 so geregelt, daß eine Verschiebung von maximaler auf minimale Phase erfolgt, wobei die Phasenregelwinkel α der Brückengleichrichter 280, 284, 346, 350 auf minimaler Phase gehalten werden. In Betriebsart IV werden die Phasenregelwinkel α der Brückengleichrichter 278,

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348 gleichzeitig so geregelt, daß von maximaler auf minimale Phase verschoben wird, wobei die Phasenregelwinkel α der Brückengleichrichter 280, 282, 284, 346, 350, 352 auf minimaler Phase gehalten werden. In Betriebsart V sind die Phasenregelwinkel α der Brückengleichrichter 278, 348 ebenfalls auf minimaler Phase. In diesem Zustand oder in Betriebsart V geben sämtliche Brückengleichrichter 278, 280, 282, 284, 346, 348, 350, 352 an ihren Ausgängen maximale Ausgangsspannungen ab.

Bei dieser Ausführungsform ist jedes Paar gleichzeitig zu regeln- ' der Brückengleichrichter, beispielsweise das Paar 284 - 350 oder 280 - 346 ebenfalls an die zugehörigen Sekundärwicklungen mit unterschiedlichem innerem Blindwiderstand angeschlossen, so daß sich die Phasen der Sekundärströme jedes Transformators unterscheiden. Daher werden die Anteile der höherharmonischen Ströme im Strom der Spannungsquelle vermindert.

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Claims

PfTEMTAN'WÄ'.TE

SCHIFF v.FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSEtPOSTFACH 95OT6O, D-8OOO MÖNCHEN 95 O Q O Q O 'J E

HITACHI, LIMITED DEA-T4444

18. Mai 1979

ELEKTRISCHER UMFORMER FÜR WECHSELSTROMGESPEISTE ELEKTRO-FAHRZEUGE - .

Patentansprüche

/ 1./Elektrischer Umformer für wechselstromgespeiste Elektrofahr-.— zeuge, gekennzeichnet durch einen ersten Transformator (10) mit einer Primärwicklung (12) und mehreren Sekundärwicklungen ( 14, 16, 18, 20), die unterschiedliche innere Blindwiderstände aufweisen, durch eine an die Primärwicklung des ersten Transformators angeschlossene einphasige Wechselspannungsquelle (23), durch eine erste Gleichrichtereinrichtung mit der gleichen Anzahl von Brückengleichrichtern (24, 26, 28, 30) wie Sekundärwicklungen, deren jeweilige Wechselspannungsanschlüsse (82, 84, 86, 88, 90, 92, 98, 100) an die zugehörige Sekundärwicklung des ersten Transformators angeschlossen und deren Gleichspannungsklemmen ( 104, 106, 108, 1089, 110, 111) zwischen die Ausgangsklemmen (102, 112) der ersten Gleichrichtereinrichtung miteinander in Reihe geschaltet sind, wobei ein Brückengleichrichter ein erster phasengeregelter Brückengleichrichter (30) mit wenigstens zwei Thyristoren (56, 58) ist und die anderen Brückengleichrichter nicht phasengeregelte Brückengleichrichter (24, 26, 28) sind, durch eine erste, zwischen die Gleichspannungs-Ausgangsklemmen

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der ersten Gleichrichtereinrichtung geschaltete Last (116)/ durch eine erste Phasenregeleinrichtung (238) mit mehreren Ausgangsklemmen, die an die Steueranschlüsse der zugehörigen Thyristoren (56, 58) des ersten phasengeregelten Brückengleichrichters (30) angeschlossen sind, wobei die erste Phasensteuereinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Schaltbefehls (S.) und zur gleichzeitigen Rückführung der Phasenregelwinkel (α) der Thyristoren des ersten phasengeregelten Brückengleichrichters auf die maximalen Phasen enthält, wenn die Phasenregelwinkel der Thyristoren minimale Phasen erreichen,

durch erste Schalteinrichtungen (76, 78, 80), die auf den ersten Schaltbefehl ansprechen und bewirken, daß einer der nicht phasengeregelten Brückengleichrichter der ersten Gleichrichtereinrichtung seine maximale Ausgangsspannungs erzeugt,

durch einen zweiten Transformator (120) mit einer ersten, zusammen mit der ersten Primärwicklung (12) des ersten Transformators (10) an die einphasige Wechselspannungsquelle (23) angeschlossenen Primärwicklung (122) und der gleichen Anzahl von Sekundärwicklungen (124, 126, 128, 130) wie der erste Transformator, wobei die Sekundärwicklungen des zweiten Transformators die gleichen inneren Blindwiderstände und Ausgangsspannungen aufweisen wie die des ersten Transformators, durch zweite Gleichrichtereinrichtungen mit der gleichen Anzahl von Brückengleichrichtern (134, 136, 138, 140) wie Sekundärwicklungen des zweiten Transformators, wobei die Wechselspannungsanschlüsse (192, 194, 196, 198, 208, 210, 200, 202) an die zugehörigen Sekundärwicklungen des zweiten Transformators angeschlossen und ihre Gleichspannungsklemmen (214, 216, 218, 219, 220, 221) zwischen den Ausgangsklemmen (212, 222) der zweiten Gleichrichtereinrichtung in Reihe geschaltet sind,einer der Brückengleichrichter ein zweiter phasengeregel-

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ter Brückengleichrichter (138) mit wenigstens zwei Thyristoren (166, 168) ist und der innere Blindwiderstand der an den zweiten phasengeregelten Brückengleichrichter angeschlossenen Sekundärwicklung (128) unterschiedlich ist von dem der an den ersten phasengeregelten Brückengleichrichter (30) angeschlossenen Sekundärwicklung (20), und wobei die anderen Brückengleichrichter: nicht phasengeregelte Brückengleichrichter (134, 136, 140) sind,

durch eine zweite, zwischen die Gleichspannungs-Ausgangsklemmen der zweiten Gleichrichtereinrichtung geschaltete Last (222),

durch eine zweite Phasenregeleinrichtung (240) mit mehreren Ausgängen, die an die Steueranschlüsse der zugehörigen Thyristoren (166, 168) des zweiten phasengeregelten Brückengleichrichters (38) angeschlossen sind, wobei die zweite Phasenregeleinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Schaltbefehls (Sc) und zur gleichzeitigen Rückführung der Phasenregelwinkel (α) der Thyristoren des zweiten phasengeregelten Brückengleichrichters auf maximale Phasen enthält,wenn die Phasenregelwinkel der Thyristoren minimale Phasen erreichen, und

durch zweite Schalteinrichtungen (184, 186, 188), die auf den zweiten Schaltbefehl ansprechen und bewirken, daß die nicht phasengeregelten Brückengleichrichter der zweiten Gleichrichtereinrichtung ihre maximale Ausgangsgleichspannung erzeugen .
2. Elektrischer Umformer für wechselstromgespeiste Elektrofahrzeuge, gekennzeichnet

durch eine ersten Transformator (260) mit einer Primärwicklung (262) und mehreren Sekundärwicklungen (264, 266, 268, 270) mit unterschiedlichen inneren Blindwiderständen, durch eine an die Primärwicklung des ersten Transformators angeschlossene einphasige Wechselspannungsquelle (276) ,

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durch eine erste Gleichrichtereinrichtung mit der gleichen Anzahl von Brückengleichrichtern (278, 280, 282, 284) wie Sekundärwicklungen, deren Wechselspannungsklemmen (294, 296, 302, 304, 306, 308, 310, 312) an die zugehörige Sekundärwicklung des ersten Transformators und deren Gleichspannungsklemmen (300, 314, 316, 318, 320, 322) zwischen die Gleichspannungsausgangsklemmen (298, 324) der ersten Gleichrichtereinrichtung in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Brückengleichrichter einen ersten phasengeregelten Brückengleichrichter mit wenigstens zwei Thyristoren (286, 288) darstellt, durch eine an die erste Gleichrichtereinrichtung angeschlossene Last (328),

durch eine erste Phasenregeleinrichtung (398) mit mehreren an die Steueranschlüsse der zugehörigen Thyristoren der ersten phasengeregelten Brückengleichrichter angeschlossenen Ausgängen,

durch einen zweiten Transformator (330) mit einer zusammen mit der Primärwicklung (262) des ersten Transformators (260) an die einphasige Wechselspannungsquelle (276) angeschlossenen Primärwicklung (332) und der gleichen Anzahl von Sekundärwicklungen wie der erste Transformator, die den gleichen inneren Blindwiderstand und die gleiche Ausgangsspannung aufweisen wie die entsprechende Sekundärwicklung des ersten Transformators,

durch eine zweite Gleichrichtereinrichtung mit der gleichen Anzahl von Brückengleichrichtern (346, 348, 350, 352) wie Sekundärwicklungen des ersten Transformators, deren Wechselspannungsanschlüsse (354, 356, 358, 360, 362, 364, 366, 368) an die zugehörige Sekundärwicklung des zweiten Transformators und deren Gleichspannungsklemmen (372, 374, 376, 378, 380, 382) zusammen zwischen die Gleichspannungsausgangsklemmen (370, 384) der zweiten Gleichrichtereinrichtung in Reihe ge-

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schaltet sind, wobei jeder Brückengleichrichter einen zweiten phasengeregelten Brückengleichrichter mit wenigstens zwei Thyristoren darstellt,

durch eine zweite,zwischen die Gleichspannungsausgangsklemmen der zweiten Gleichrichtereinrichtung geschaltete Last (388), und

durch eine zweite Phasenregeleinrichtung (400) mit mehreren an die Steueranschlüsse der zugehörigen Thyristoren der zweiten phasengeregelten Brückengleichrichter angeschlossenen Ausgängen, wobei die Thyristoren eines Paars der phasengeregelten. Brückengleichrichter je aus einem gewählten der jeweiligen ersten und zweiten phasengeregelten Brückengleichrichter der ersten und zweiten Gleichrichtereinrichtung bestehen und durch die erste und zweite Phasenregeleinrichtung gleichzeitig so geregelt werden, daß eine Phasenverschiebung von maximalen auf minimale Phasen erfolgt und, wenn die Phasenregelwinkel (α) der Thyristoren des Paars der ersten und zweiten phasengeregelten Brückengleichrichter minimale Phasen erreichen, die Thyristoren eines anderen Paars von ersten und zweiten phasengeregelten Brückengleichrichtern gleichzeitig in der gleichen Weise geregelt werden, und wobei jedes Paar der ersten und zweiten phasengeregelten, gleichzeitig zu regelnden Brückengleichrichter von den zwei Transformatoren so gewählt sind, daß sie an Wicklungen mit unterschiedlichen inneren Blindwiderständen im zugehörigen Transformator angeschlossen sind.
3. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (14, 16, 18, 20, 124, 126, 128, 130) des ersten und zweiten Transformators (10, 120) an unterschiedlichen Stellen am Magnetkern (246) der Transformatoren angeordnet sind, so daß sie unterschiedliche Blindwiderstandswerte aufweisen.
4. Umformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet

durch einen ersten Stromwandler (228) zur Erfassung des durch

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die erste Last (116) fließenden Stroms,

durch eine erste Stromregeleinrichtung (232) zum Vergleich eines Ausgangssignals des ersten Stromwandlers mit einem Regelsignal (S₃), wobei die erste Phasenregeleinrichtung auf ein Ausgangssignal der ersten Stromregeleinrichtung derart anspricht, daß die Phasenregelwinkel (α) der Thyristoren (56, 58) des ersten phasengeregelten Brückengleichrichters (30) geregelt werden,

durch einen zweiten Stromwandler (230) zur Erfassung des Stroms durch die zweite Last (226), und durch eine zweite Stromregeleinrichtung (234) zum Vergleich des Ausgangssignals des zweiten Stromswandlers mit dem Regelsignal (S-,) , wobei die zweite Phasenregeleinrichtung (240) auf das Ausgangssignal des zweiten Stromwandlers so anspricht, daß die Phasenregelwinkel (α) der Thyristoren (166, 168) des zweiten phasengeregelten Brückengleichrichters (138) geregelt werden.

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