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Stromrichteranordnung mit zwei Schaltungsgruppen mit steuerbaren und nichtsteuerbaren Ventilen
Bei Stromrichteranlagen mit gittergesteuerten Gasentladungs- oder steuerbaren Halbleiterventilen hat es sich gelegentlich als vorteilhaft erwiesen, nicht sämtliche Ventile des Stromrichters, sondern nur einen Teil der Ventile, beispielsweise nur die Hälfte ihrer Gesamtzahl, als steuerbare Ventile vorzusehen. Bei einem derartigen Gleichrichter kann man, beispielsweise durch Anwendung einer Reihenschaltung eines steuerbaren und eines nicht steuerbaren Gleichrichters, die Mehrkosten der Hälfte der steuerbaren Ventile gegenüber ungesteuerten Ventilen einsparen.
Da bekanntlich voll ausgesteuerte Gleichrichter und damit auch nicht gesteuerte Gleichrichter einen geringeren Blindleistungsverbrauch auf der Primärseite bewirken, ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Blindleistungsverhältnisse verbessert und damit verbunden, die Kupferverluste der Transformatoren herabgesetzt werden. Ein möglicher Nachteil einer solchen Anordnung kann darin bestehen, dass der Gleichrichter bei Teilaussteuerung eine geringere Pulszahl als bei durchweg steuerbaren Ventilen aufweist, wodurch eine etwas höhere Gleichspannungswelligkeit auftreten kann.
Eine besondere Form einer Reihenschaltung zweier Gleichrichter stellt die Dreiphasen-Brückenschaltung dar, die im normalen Betrieb eine Reihenschaltung zweier Dreiphasengleichrichter mit um 1800 el versetzter Zündfolge bildet. Auch bei dieser Schaltung kann man, wie bekannt ist, die Ventile des einen Dreiphasensystems steuerbar einrichten, während die des anderen Systems nicht steuerbare Ventile sind.
Mit derartigen nur zur Hälfte der gesamten Ventilzweige gesteuerten Anlagen ist ein Gleichrichterbetrieb im Bereich der maximalen Gleichspannung bei Vollaussteuerung bis herab zu Gleichspannungen nahe dem Werte Null möglich, wobei die Zündverzögerung der Ventile des gesteuerten Dreiphasensystems Winkelbeträge bis zu 1800 el vermindert um den sogenanntenRespektabstand eines Wechselrichterbetriebes erreicht. Ein Betrieb des Gleichrichters als Wechselrichter ist indessen nicht möglich. Infolge der Notwendigkeit der Einhaltung dieses Respektabstandes des Aussteuerwinkels ist auch keine Herabsteuerung der resultierenden Gleichspannung der beiden Dreiphasensysteme bis auf den Spannungswert Null möglich.
Die Erfindung ermöglicht die Ausnutzung der Vorteile einer derartigen, aus zwei Schaltungsgruppen gebildeten Stromrichterschaltung, ohne ihre Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromrichteranordnung mit zwei Schaltungsgruppen mit steuerbaren und nicht steuerbaren Ventilen, die als selbständige Teilstromrichter mit gleicher maximaler Teilgleichspannung wirksam sein können und besteht im Wesen darin, dass Schaltmittel vorgesehen sind, die dieSchaltungsgruppen derart untereinander undmitdem gleichstromseitigenBelastungskreis verbinden, dass bei Gleichspannungen des Belastungskreises unterhalb der maximalen Teilgleichspannung die Schaltungsgruppe mit den steuerbaren Ventilen allein auf den Belastungskreis einwirkt und bei Gleichspannungen des Belastungskreises oberhalb der maximalenTeilgleichspannung beide Schaltungsgruppen inReihenschaltung auf den Belastungskreis einwirken,
wobei während der bei maximaler Teilgleichspannung stattfindenden Umschaltung ein vorübergehender Parallelbetrieb beider Schaltungsgruppen vorgenommen wird.
Zwei Schaltungsbeispiele von Stromrichtern nach der Erfindung sind in Fig. 1 und 2 wiedergegeben.
Sie beziehen sich auf Stromrichter mit Halbleiterventilen, die beispielsweise als Siliziumelemente ausgeführt sein können. Die nicht steuerbaren Ventile sind Halbleiterdioden, die steuerbaren Ventile sind Vierschichten-Halbleitertrioden, die bekanntlich ähnliche Steuereigenschaften wie die GasentladungsThyratrons besitzen. Ihr Stromfluss kann nur durch einen Strom-Nulldurchgang unterbrochen werden.
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Die in Fig. 1 wiedergegebene Schaltung stellt einen Stromrichter zum Antrieb einer Gleichstrom- maschine, beispielsweise eines Fahrmotors einer Stromrichterlokomotive dar. Der Stromrichter ist ge- bildet durch einen gemeinsamen Einphasen-Transformator und zwei Schaltungsgruppen, welche zwei zweipulsige Teilstromrichter ergeben. Der Transformator hat eine Primärwicklung la und zweigetrennte
Sekundärwicklungen lb und lc, die eine gleiche Windungszahl und eine Mittelanzapfung besitzen. Dement- sprechend sind zwei Teilstromrichter in der Mittelpunktschaltung gebildet. Von diesen besitzt der eine zwei Halbleiterdioden 2 und 4, während der andere zwei mittels einer nichtwiedergegebenenSteuerein- richtung gesteuerte Halbleitertrioden 3 und 5 enthält.
Für die Aufrechterhaltung eines lückenlosen Gleich- stromflusses und für eine Glättung der Gleichströme sind zwei Gleichstromdrosseln 6 und 7 vorgesehen. Die als Belastung dienende Gleichstrommaschine ist mit 11 bezeichnet.
Zur Herstellung der Betriebsweise der Stromrichteranlage gemäss der Erfindung sind drei Schalter 8, 9 und 10 angeordnet, die in der nachfolgend beschriebenen Weise betätigt werden.
Bei Betrieb der Gleichstrommaschine mit Spannungen, die kleiner als die maximale Teilgleich- spannung der Teilstromrichter oder kleiner als die halbe maximale Gleichspannung der in Reihe ge- schalteten Teilstromrichter sind, ist der Schalter 9 geschlossen, während die Schalter 8 und 10 geöffnet sind. Damit ist der steuerbare Teilstromrichter mit den Ventilen 3, 5 allein auf die Gleichstrommaschine
11 geschaltet. MitHilfe der steuerbarenHalbleitertrioden kann die Spannung an der Gleichstrommaschine stetig zwischen etwa-90% und +100% der maximalen Teilgleichspannung oder zwischen etwa-45% und + 50% der Maximalspannung der Anlage geändert werden. Es ist also Wechselrichter-und Gleichrichterbetrieb möglich.
Ist der Teilstromrichter mit den Ventilen 3 und 5 voll ausgesteuert, so stimmt dessen Gleichspannung überein mit der Gleichspannung des Teilstromrichters mit den ungesteuerten Ventilen 2 und 4. In diesem Betriebszustand kann infolgedessen der Schalter 8 geschlossen werden, womit beide Teilstromrichter parallel arbeiten.
Zur weiteren Erhöhung der Spannung an der Gleichstrommaschine wird nun vorerst der steuerbare Teilstromrichter mit den Ventilen 3, 5 auf Gleichspannung Null herabgesteuert, womit dieser Teilstromrichter vorübergehend aus der Speisung der Gleichstrommaschine ausscheidet und der ungesteuerte Teilstromrichter die Stromlieferung allein übernimmt. Alsdann wird der Schalter 9 stromlos geöffnet, und der Schalter 10 geschlossen. In diesem Zwischenzustand trägt der ungesteuerte Teilstromrichter nach wie vor die Stromlieferung, während die Ventile 3, 5 des gesteuerten Teilstromrichters im Nullspannungsbetrieb auf die Gleichstromdrossel 7 arbeiten.
Wird nun der Schalter 8 geöffnet, so sind beide Teilstromrichter in Reihe geschaltet. Durch Änderung der Teilaussteuerung des steuerbaren Teilstromrichters schaltet sich dieser in die Gleichspannungsbildung ein und es können jetzt alle Gleichspannungswerte zwischen der maximalen Teilgleichspannung und der doppelten maximalen Teilgleichspannung oder zwischen 50% und 100% der Maximalspannung der Anlage eingestellt werden.
Die im Zwischenzustand vorgenommenen Umschaltungen können in kurzer Aufeinanderfolge, beispielsweise durch eine Nockenscheibenbetätigung der Schalter durchgeführt werden.
Soll nun wieder eine niedrigere Gleichspannung hergestellt werden, so sind die beschriebenen Schaltschritte in umgekehrter Folge durchzuführen. Auch in diesem Falle findet die Einspeisung des Gleichstromes in die Gleichstrommaschine keine Unterbrechung.
Bei vielen Anwendungen von Stromrichtern, insbesondere für Stromrichterlokomotiven mit mehreren Antriebsmotoren, lässt sich die Belastung des Stromrichters in zwei gleiche Verbrauchergruppen aufteilen.
Ein dementsprechendes Beispiel einer Stromrichterschaltung mit zwei Antriebsmotoren mit einer Betriebsweise gemäss einer Weiterentwicklung der Erfindung zeigt Fig. 2. Die Schaltung ermöglicht sowohl eine Herabsetzung der Verluste als auch der aufzubringenden Steuerblindleistung.
In Fig. 2 ist wieder la eine gemeinsame Primärwicklung eines Einphasen-Transformators, der wieder zwei Sekundärwicklungen 1b und 1c besitzt. An jede dieser Sekundärwicklungen sind ein aus vier Ventilen bestehender Satz steuerbarer und ein aus vier Ventilen bestehender Satz nicht steuerbarer Ventile in Brückenschaltung angeschlossen. In Anlehnung an die Bezeichnungsweise in Fig. 1 tragen die in Fig. 2 anoden-
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Kommutierungsgruppen der Ventile sind durch die beigefügten Buchstaben a, b, c, d unterschieden. Den vier so gebildeten Teilstromrichtern sind die Gleichstromdrosseln 6a, 7a und 6b, 7b zugeordnet.
Über die Schalter 8,9, 10 können die vier Teilstromrichter auf die nachfolgend beschriebene Weise mit den die Belastung bildenden zwei Gleichstrommotoren lla und llb zusammenwirken.
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Bei Motorspannungen unterhalb von 50% der bei Reihenschaltung zweier Teilstromrichter möglichen maximalen Anlagengleichspannung ist der Schalter 9 geschlossen, während die Schalter 8 und 10 ge- öffnet sind. Die steuerbaren Ventile 2a, 3b, 4a, 5b speisen die Gleichstrommaschine l1b, die ebenfalls steuerbaren Ventile 2b, 3a, 4b, 5a die Gleichstrommaschine l1a. Es ist Wechselrichter- und Gleichrichterbetrieb im Spannungsbereich je Gleichstrommaschine von etwa-45% bis + 50% der maximalen Anlagengleichspannung möglich.
Hierbei kann zur Einsparung von Blindleistung eine an sich bekannte, der Vorschrift nach Fig. 3 zu entnehmende, gewöhnlich als unsymmetrische Steuerung bezeichnete Steuermethode angewendet werden.
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ouUst aufgetragen, die eine bekannte Funktion der Gleichspannung ist, wobei der maximale negative Wert der Steuergrösse der maximalen Wechselrichteraussteuerung und der maximale positive Wert dieser Grösse der maximalen Gleichrichteraussteuerung entspricht. Bei diesem Steuerverfahren reduziert sich die Steuer- blindleistung gegenüber der bei symmetrischer Steuerung auftretenden Blindleistung auf den halben Wert.
Zum Unterschied von der Anordnung nach Fig. 1 werden überdies bei der Anordnung in Fig. 2 auch die
Sekundärwicklungen des Transformators teilweise stromlos, was eine Herabsetzung der mittleren Verluste nach sich zieht.
Sind alle steuerbaren Ventile voll ausgesteuert, so beträgt die Gleichspannung an den Gleichstrom- motoren 50%. der maximalen Anlagenspannung. Die von den Ventilen 2a, 3b, 4a, 5b gelieferte Gleich- spannung stimmt jetzt mit der von den ungesteuerten Ventilen 2c, 3c, 4c, 5c gelieferten Spannung über- ein, und Entsprechendes gilt für die Ventile 2b, 3a, 4b, 5a und 2d, 3d, 4d, 5d. Wird nunmehr der Schalter
8 geschlossen, so arbeiten die Ventile 2c, 3c, 4c, 5c parallel zu 2a, 3b, 4a, 5b und die Ventile 2d, 3d, 4d, 5d parallel zu 2b, 3a, 4b, 5a.
Als nächstes werden die steuerbaren Ventile so gesteuert, dass der Mittelwert der von ihnen gelieferten
Gleichspannung den Wert Null annimmt. Hienach kann der Schalter 9 geöffnet und der Schalter 10 geschlossen werden. Die steuerbaren Ventile arbeiten dann im Nullspannungsbetrieb auf die Gleichstromdrosseln 7 a und 7b.
Wird daraufhin der Schalter 8 geöffnet, so sind die Ventile 2a, 3b, 4a, 5b mit den Ventilen 2c, 3c, 4c, 5c in Reihe geschaltet. Das gleiche gilt für die Ventile 2b, 3a, 4b, 5a und 2d, 3d, 4d, 5d. Durch Änderung des Zündwinkels der steuerbaren Ventile kann nunmehr die Gesamtspannung der Anlage bis zu ihrem Maximalwert an beiden Gleichstrommaschinen erhöht werden.
Da die Ventile 2b, 4b und 3b, 5b gleichartig gesteuert werden, kann in der durch den Schalter 10 gebildeten Leitungsmasche, die die beiden Transformatorwicklungen 1b und lc einschliesst, kein interner Kreisstrom fliessen.
Die Schaltmittel 8,9, 10 sind, wie in Fig. 2 zu entnehmen ist, so ausgebildet, dass die vier Teilstromrichter paarweise in der beschriebenen Weise umgeschaltet werden.
Soll die Gleichspannung an den Gleichstrommaschinen wieder unter den halben Gesamtwert der Anlagenspannung abgesenkt werden, so sind alle Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge durchzuführen.
Der Erfindungsgedanke ist nicht auf zweipulsige Stromrichter beschränkt, sondern sinngemäss bei allen bekannten Schaltungen anwendbar.
Ferner ist der Erfindungsgedanke nicht auf die Aufteilung der Stromrichteranlage in zwei Schaltungsgruppen mit steuerbaren und nicht steuerbaren Ventilen beschränkt, sondern sinngemäss auch für Stromrichterschaltungen anwendbar, welche in mehrere Schaltungsgruppen aufgeteilt sind, von denen ein Teil mit steuerbaren und ein anderer Teil mit nicht steuerbaren Ventilen ausgeführt ist und wobei diese Gruppen durch zweckdienliche Schaltmittel einzeln oder in Reihenschaltung betrieben werden können.
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