DE2510357C3 - Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreii, einem gesteuerten Gleichrichter und einem Wechselrichter mit Hauptthyristoren in Brückenschaltung, zu der Freilaufdioden in Brückenschaltung antiparallel geschaltet sind, wobei jedem Brückenzweig ein Löschkreis mit einem Löschthyristor und einem Kommutierungskondensator parallel geschaltet ist, für zwei Brückenzweige, die einen gemeinsamen Hauptanschluß besitzen, jeweils ein Kommutierungskondensator vorgesehen ist und in den Kommutierungsstromkreisen Kcmmutierungsdrosseln angeordnet sind.

Solche Umrichter mit variabler Zwischenkreisspannung sind aus dem Buch von M. Meyer, »Selbstgeführte Thyristor-Stromrichterfc Siemens AG 1974, 3. Aul· S. 162 bis 168, und aus der DT-PS 12 46 861 bekannt. Sie werden wegen ihres einfachen Konzeptes vielfach angewendet, beispielsweise zur Speisung von Drehstrommaschinen. Bei diesen Umrichtern wird der

ίο Kommutierungskondensator zur Deckung der Kommutierungsverluste nach jeder erzwungenen Kommutierung mit der vom Laststrom her in der Kommutierungsinduktivität gespeicherten Energie und aus der Energie des Zwischenkreises nachgeladen, damit bleibt die

■ 5 Kommutierfähigkeit bei kleiner Zwischenkreisspannung sichergestellt Bei großen Lastströmen, insbesondere bei Überlastung des Umrichters kann diese stromabhängige Nachladung zu einem großen Anstieg der Spannung am Kommutierungskondensator, d. h. der Kommutierungsspannung und damit zu einer unzulässigen Beanspruchung der Thyristoren, Dioden und Kondensatoren führen. Diese Gefahr besteht besonders bei hohen Leistungen, beispielsweise bei Leistungen von lOOkVAundmehr.

Es besteht die Aufgabe, einen Umrichter der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unzulässig hohe Kommutierungsspannungen vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für jeweils zwei Brückenzweige mit gemeinsamem Hauptanschluß wenigstens ein Dämpfungskondensator vorgesehen ist, der zu einem Brückenzweig parallel geschaltet ist.

Beim erfindungsgemäßen Umrichter wird bei jeder Kommutierung die Zeit, in der eine laststromabhängige Nachladung des Kommutierungskondensators erfolgt, um eine Zeitspanne verkleinert, in der sich die am Kommutierungskondensator beteiligten Dämpfungskondensatoren ent- und umladen. Dadurch wird bereits das Entstehen einer Überhöhung der Kommutierungsspannung nahezu verlustlos verhindert. Dies geschieht völlig unabhängig von der Umrichterfrequenz. Die Dämpfungswirkung bei null Volt Zwischenkreisspannung ist gleich Null und nimmt mit steigender Zwischenkreisspannung zu. Damit bleibt die durch die laststromabhängige Nachladung bedingte Kommutierfähigkeit voll erhalten.

Die Größe der für alle Dämpfungskondensatoren vorzugsweise gleich großen Kapazitäten der Dämpfungskondensatoren und damit die Dämpfungswirkung ist nur durch bei leerlaufendem Umrichter auftretende Kreisströme begrenzt. Vorzugsweise können die Dämpfungskondensatoren abschaltbar sein, oder es kann mit dem Ausgang des Wechselrichters eine induktive Grundlast verbunden sein. Diese induktive Grundlast bewirkt einen induktiven Grundlaststrom, der die Dämpfungskondensatoren zwischen Umschwingvorgang und Hauptimpulsbeginn im Wechselrichter umlädt und somit die Entstehung eines Kreisstromes verhindert. Vorteilhaft ist es, als induktive Grundlast in jede Ausgangsleitung des Umrichters eine Drossel mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen zu schalten, wobei eine Wicklung jeder Drossel mit dem Wechselrichterausgang, der Verbindungspunkt der beiden Wicklungen jeder Drossel mit der Last und die andere Wicklung aller Drosseln miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform wird der Grundlaststrom mit steigendem Laststrom geringer und bei entsprechender Auslegung bei Nennstrom zu Null. Im Nennbetrieb

werden daher die Kommutierungseinrichtung und die Hauptthyristoren vom Grundlaststrom nicht mehr belastet

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Umrichter beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 9 näh^- erläutert. In den Figuren sind einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Umrichters dargestellt Dabei sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Drehsiroininiiiaschine i, die eine Drehstromsynchronmaschine oder -asynchronmaschine sein kann und die aus einem Drehstromnetz mit den Phasen R, S, Tüber einen fremdgesteuerten, netzgeführten Gleichrichter 2, einen Gleichspannungszwischenkreis 3 mit Glättungsdrosseln 4 und Zwischenkreiskondensator 5 und einen selbstgeführten, fremdgesteuerten Wechselrichter 6 gespeist wird. Im Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichter 2 aus sechs steuerbaren Thyristoren 2a bis 2>^riin Drehstrombrückenschaltung aufgebaut. Der Wechselrichter 6 besteht aus HaupUhyristoren 7a bis Tf in Drehstrombrückenschaltung 7 und Freilaufbzw. Rückstromdioden 8a bis 8/in Drehstrombrückenschaltung 8, wobei die beiden Brückenschaltungen 7 und 8 antiparallel zueinander geschaltet sind, so daß zu jedem Hauptthyristor 7a bis Tf eine Diode 8a bis 8/ antiparallel liegt

Der Wechselrichter ist mit einer Zwangskommutierungstiinrichtung 9 für die Hauptthyristoren 7a bis 7/ versehen, in der jedem Hauptthyristor 7a bis Tf ein Löschkreis bestehend aus der Reihenschaltung von einem der Löschthyristoren 10a bis 10/" und einem der Kommutierungskondensatoren 11a bis lic parallel geschaltet ist Dabei ist jeweils ein gemeinsamer Kommutierungskondensator 11a bis lic für jeweils zwei Brückenzweige mit den Hauptthyristoren 7a und Td bis 7c und Tf vorgesehen, die einen gemeinsamen Hauptanschluß 14a bis 14c besitzen. Solche Brückenzweige mit gemeinsamem Hauptanschluß 14a bis 14c werden auch als Brückenstrang bezeichnet. Im Kommutierungsstrornkreis liegen außerdem noch Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/und Begrenzungsdrosseln 13a bis 13/ Im Ausführungsbeispiel sind die Begrenzungsdrosseln zwischen die Hauptthyristoren 7a bis 7/"und die zugehörigen Löschthyristoren 10a bis 10/ und die Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/ zwischen die Hauptthyristoren 7a bis Tf und die zugehörigen Freilaufdioden 8a bis 8/geschaltet. Weiterhin sind im Ausführungsbeispiel die Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/unterl;ei!t, und jedem Hauptthyristor 7a bis 7/ist eine der Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/gesondert zugeordnet. Diese Anordnung der Kommutierungsdrosseln 12a bis 12/ bewirkt eine Entkopplung der Kommutierungsstromkreise, mit der die zulässige Sperrspannung der verwendeten Thyristoren besser ausgenutzt werden kann. Für die Wirkung des erfindungsgemäßen Umrichters ist die spezielle Anordnung der Kommutierungs- und der Begrenzungsdrosseln nach F i g. 1 unwesentlich, Kommutierungs- und Begrenzungsdrosseln können auch an anderen Stellen der Kommutierungsstromkreise angeordnet sein.

Es wurde bereits erwähnt, daß die stromabhängige Nachladung der Kommutierungskondensatoren 11a bis lic bei der Zwangskommutierung zu einem unzulässig hohen Anstieg der Kommutierungsspannung bei Oberlastung führen kann. Um einen solchen unzulässig hohen Anstieg der Kommutierungsspannung von vornherein zu verhindern, sind Dämpfungskondensatoren vorgesehen, wobei im Ausführung;;beispiel nach F i g. 1 jedem Brückenzweig des Wechselrichters 6 je einer der Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/ parallel geschaltet ist und alle Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/ gleich große Kapazität besitzen. Das Verhältnis der Kapazitäten der Kommutierungskondensatoren zu denen der Dämpfungskondensatoren beträgt ungefähr 5:1, und die Kapazitäten der Dämpfungskondensatoren verhalten sich zur Kapazität des Zwischenkreiskondensators 5 ungefähr wie 1 :1000.

ίο Bei aer beschriebenen Einrichtung wird durch Steuerung des Gleichrichters 2 die Zwischenkreisspannung im Gleichspannungszwischenkreis 3 und damit die Größe der Spannung gesteuert, die der Drehstrommaschine 1 zugeführt wird. Die Frequenz der Maschinenspannung wird durch die Taktfrequenz der Hauptthyristoren des Wechselrichters 6 und die Drehrichtung der Drehstrommaschine durch die Reihenfolge der Stromführung der Hauptthyristoren des Wechselrichters 6 bestimmt Dabei werden zur Steuerung der Thyristoren des Gleichrichters 2 an sich bekannte Steuersätze benutzt Der Wechselrichter 6 und die Löschthyristoren 10a bis 10/werden mit einem Steuersatz angesteuert, der einen Impulsgeber mit nachgeschaltetem Ringzähler enthält. Die Steuersätze und die Steuerleitungen zu den Zündelektroden der Thyristoren wurden in den Figuren nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Zur Inbetriebnahme der Anordnung sind die Kommutierungskondensatoren 11a bis lic auf die zur

3c Kommutierung des Anlaßstromes notwendige Spannung aufzuladen. Zur Aufladung können die Hauptthyristoren 7a bis 7/und die entsprechenden Löschthyristoren 10a bis 10/gezündet werden, oder es kann für jeden Kommutierungskondensator eine übliche Ladeeinrichtung vorgesehen sein, die in der F i g. 1 nicht dargestellt ist und beispielsweise eine Reihenschaltung eines Ladewiderstandes mit einem Schalter enthält, über die der zugehörige Kommutierungskondensator mit einer Gleichspannungsquelle zu verbinden ist. Nach Beendi-

}o gung der Aufladung werden die Schalter wieder geöffnet. Falls genügend große Widerstände, beispielsweise lOOkn und mehr vorgesehen sind, können die Schalter entfallen.

Für die Beschreibung der Zwangskommutierung wird die F i g. 2 herangezogen, in deren Diagrammen der Strom vim Kommutierungsstromkreis, der Laststrom i», den der zwangszulöschende Thyristor führt, und die Kondensatorspannung U_c über der Zeit t aufgetragen sind. Dabei sind mit den gestrichelt eingezeichneten Kurvenzügen 16 und 17 die beim Kommutierungsvorgang des bekannten Umrichters auftretenden Ströme und Spannungen und mit den ausgezogenen Kurvenzügen der Zustand gezeigt, der sich bei einer mit Dämpfungskondensatoren 15 ausgerüsteten Einrichtung einstellt Es wird vorausgesetzt daß die Kommutierungskondensatoren 11a bis lic mit der gezeigten Polarität und der Spannung Ua aufgeladen sind, daß die Hauptthyristoren 7a, Tb und Tf Strom führen und daß der Laststrom vom Hauptthyristor 7a auf den Hauptthyristor Td kommutiert werden soll. Bei der angegebenen Ladung der Kommutierungskoridensatoren lla bis lic können die HaupUhyristoren 7a und Tb der linken Brückenhälfte und der Hauptthyristor 7/der rechten Brückenhälfte zwangskommutiert werden. Zur

f>5 Löschung des stromführenden Hauptthyristors Ta wird im Zeitpunkt t\ das zugehörige Löschventil 10a gezündet. Der Entladestrom des Kommutiuungskondensators lla fließt nun über den Löschthyristor !Oa. die

Begrenzungsdrossel 13a und den Hauptthyristor 7a und baut den Laststrom im Hauptthyristor 7a ab. Erreicht der Entladestrom den Laststrom im Hauptthyristor 7a, so erlischt im Zeitpunkt /2 der Hauptthyristor 7a, und der an der Kommutierungsdrossel 12a abfallende Teil 5 der Spannung £Ί·ι des Kommutierungskondensators lla liegt als negative Sperrspannung am Hauptthyristor 7a. Der Laststrom fließt über den Kommutierungskondensator lla,den Löschthyristor 10a,die Begrenzungsdrossel 13a und die Kommutierungsdrossel 12a weiter. Der Kommutierungskondensator lla lädt sich nun über den Kommutierungsstromkreis, d. h. über die Kommutierungsdrossel 12a, die Begrenzungsdrossel 13a und die Freilaufdiode 8a um. In diesem Schwingkreis steigt der Umschwingstrom i_c des Kommutierungskondensators lla sinusförmig auf seinen Maximalwert an, den er im Nulldurchgang der Kondensatorspannung U_c erreicht. Anschließend nimmt der jetzt durch die Kommutierungsdrossel 12a und die Begrenzungsdrossel 13a getriebene Umschwingstrom wieder ab. Sobald der Umschwingstrom die Größe des Lasistroms /0 im Zeitpunkt tj erreicht hat, wird der Strom durch die Freilaufdiode 8a zu Null, und der Laststrom geginnt auf die Freilaufdiode Sd zu kommutieren, die nun leitend wird. Das bedeutet, daß das Potential des Hauptan-Schlusses 14a von minus nach plus wechselt. In diesem Zeitpunkt beginnt ein weiterer Schwingungsvorgang unter Einbeziehung der Zwischenkreisspannung U, und mit der Spannung U₁? am Kommutierungskondensator lla und dem Stromwert i₀ im Umschwingkreis als jo Anfangsbedingung. Es fließt daher während der Kommutierung auf die Freilaufdiode Sd ein ebenfalls von der Kommulierungsdrossel 12a und der Begrenzungsdrossel 13a getriebener Strom, der einen zeitlichen Verlauf entsprechend der gestrichelten Kurve 16 der F i g. 2 besitzt und zu einem Spannungsverlauf am Kommutierungskondensator lla entsprechend der gestrichelten Kurve 17 führt. Die Spannung am Kommutierungskondensator steigt daher von Ua auf U\a entsprechend der Stromzeitfläche

'■,. di

45

an, wobei i₃ der Zeitpunkt des Stromnulldurchganges ist, was einer stromabhängigen Nachladung des Kommutierungskondensators lla durch die Kommutierungsdrossel 12a und die Begrenzungsdrossel 13a entspricht. Im stationären Fall gilt U'ct, = Uco- Mit dieser stromabhängigen Nachladung der Kommutierungskondensatoren 11 wird der Umrichterbetrieb bei kleinen Zwischenkreisspannungen U₂ und damit auch bei kleinen Frequenzen sichergestellt Allerdings wird bei großen Lastströmen die Kommutierungsspannung größer als bei kleinen Lastströmen. Bei einer Überlastung des Umrichters kann diese stromabhängige Nachladung somit zu unzulässig hohen Kommutierungsspannungen führen, wie bereits erwähnt wurde. Ist die Kommutierung auf die Freilaufdiode 8c/beendet, so erlischt der Löschthyristör 10a, und der Kommutierungskondensator lla besitzt die richtige Polarität und Spannung zur Zwangslöschung des Hauptthyristors 7ü, wobei die Polarität umgekehrt zu der in F i g. 1 gezeigten ist Durch die Kommutierung des Laststromes auf die Freilaufdiode 8ci die unter der Wirkung der Induktivität der Wicklungen der Drehstrommaschine 1 erfolgt, wird ein Freilaufkreis geschlossen, und der Strom fließt über die Freilaufdiode 8c/, die Kommutierungsdrossel 12c/, die stromführenden Hauptthyristoren und die Wicklungen der Drehstrommaschine 1. Nun wird der Hauptthyristor 7c/gezündet, übernimmt den Strom, und die Kommutie rung ist beendet.

Um zu vermeiden, daß die stromabhängige Nachla dung bei großem Laststrom, insbesondere bei Überla stung des Umrichters, zu unzulässig hohen Kommutierungsspannungen führt, sind beim erfindungsgemäßen Umrichter die Dämpfungskondensatoren vorgesehen die gleich große Kapazität besitzen und von denen beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 je ein Dämpfungskondensator 15a bis ISfparallel zu jedem Brückenzweig des Wechselrichters 6 geschaltet ist. Während des Umschwingens im Kommutierungsstromkreis, d.h., be leitender Freiiaufdiode 8a besitzi der Hauptanschluß 14a das Potential — Uz- Daraus folgt, daß die Spannung am Dämpfungskondensator 15a null Volt und am Kondensator 15c/ — Uz Volt beträgt, wenn der Umschwingstrom i_c im Zeitpunkt fj wieder die Größe des Laststromes /o erreicht. Dabei besitzt der Dämp fungskondensator 15c/ die angegebene Polarität. Im Zeitpunkt tz wird die Freilaufdiode 8a stromlos. Da: Potential des Hauptanschlusses 14a kann aber wegen der Spannung am Dämpfungskondensator 15c/ sein Potential nicht von minus nach plus wechseln, bis die Dämpfungskondensatoren 15a und 15c/umgeladen sind. Die Ladung des Dämpfungskondensators 15a und die Entladung des Dämpfungskondensators 15c/ und damit der Potentialwechsel erfolgt mit begrenzter Geschwindigkeit und ist im Zeitpunkt U beendet. Nun wird die Freilaufdiode Sd leitend, und die Kommutierung auf diese Freilaufdiode beginnt. In der Zeitspanne h bis U ist jedoch der Umschwingstrom i_c von io auf Z₁* abgekiungen, und die Kommutierungsspannung hat sich geringfügig von Uc2 auf Ud erhöht. Der zweite Schwingungsvorgang, der während der Kommutierung auf die Freilaufdiode Sd wie bei dem bekannten Umrichter einsetzt und damit die stromabhängige Nachladung einleitet, erfolgt daher unter geänderten Bedingungen. Für diesen zweiten Schwingungsvorgang gelten die Anfangsbedingungen /_ί<ι</ο und U_ci> U&. Damit wird die Stromzeitfläche, d. h.

i_e dt

kleiner als beim bekannten Umrichter ohne Dämpfungsschaltung, was gleichbedeutend mit einer Absenkung der Kommutierungsspannung auf l/<« ist, wöbe Ucn < U'ca gilt und 14 wieder der Zeitpunkt des Stromnulldurchganges ist. Der Unterschied in den Stromzettflächen beim Umrichter mit Dämpfungsschaltung und beim bekannten Umrichter ist aus den gestrichelten Kurven 16 und 17 und den ausgezogenen Kurven der F i g. 2 direkt ersichtlich.

Mit den Dämpfungskondensatoren, die verhindern daß der Laststrom unmittelbar von der Freilaufdiode Si auf die Freilaufdiode 8c/ kommutieren kann, wird das Entstehen einer Überspannung an den Kommutierungskondensatoren unmittelbar verhindert Dabei bleibt, wie ohne weiteres einzusehen ist, die Dämpfungsschaltung bei null Volt Zwischenkreisspannung ohne Wirkung, ds der Strom ungehindert auf die Freilaufdiode 8c kommutieren kann. Diese Kommutierung wird um se mehr verzögert und damit die Nachladungszeit und die Kommutierungsspannung relativ verringert, je höhei

die Zwischenkreisspannung ist, da dann die Umladung der Dämpfungskondensatoren länger dauert, die am Kommutierungsvorgang beteiligt sind. Damit erhält man eine mit steigender Zwischenkreisspannung verringerte Stromabhängigkeit der Kommutierungsspannung. Mit diesem Verhalten ist eine nahezu verlustlose, von der Umrichterfrequenz völlig unabhängige Arbeitsweise der Kommutierungseinrichtung und der Dämpfungseinrichtung gegeben. Anzuführen ist außerdem noch, daß bei Fremdaufladung der Kommutierungskondensatoren die Zwischenkreisspannung nicht durch die Hilfsspannung erhöht wird.

Für die Kennlinien Uco = f(U„ k) erhält man bei dem bekannten Umrichter ohne Dämpfungsschaltung näherungsweise die Beziehung:

wobei der Stromabhängigkeitsfaktor Z' ein modifizierter Wellenwiderstand des Umschwingkreises ist. Für den erfindungsgemäßen Umrichter mit Dämpfungsschaltung ergibt sich näherungsweise:

υ, „ = υ-,. + ζ'

	Ό -	Vx Zn	> O
und
	V, (I *	V7
für
	Ό -	Vx Z1,	< ο

wobei der Faktor Zo bei gegebener Dämpfungseinrichtung von der Größe der Kapazität der Dämpfungskondensatoren abhängt, die am Kommutierungsvorgang beteiligt sind. Die Kennlinien gemäß den Beziehungen (1) bzw. (2) und (3) zeigt Fig. 3 bei verschiedenen Zwischenkreisspannungen Uz\ bis U?_A als Parameter. Dabei sind wieder als gestrichelte Kurven die Kennlinien des bekannten Umrichters gemäß der Beziehung (1) und mit ausgezogenen Kurven die Kennlinien des erfindungsgemäßen Umrichters gemäß den Beziehungen (2) und (3) angegeben. Für die Winkel öl und β gilt dabei tana = Z' und {an β = Zd. Den Kennlinien ist zu entnehmen, daß für den Umrichter mit Dämpfungsschaltung bei einer vorgegebenen Zwischenkreisspannung U, und bei vorgegebener maximal zulässiger Kommutierungsspannung U₁Q₇₁₁, wesentlich höhere Überlastströme i_u„ zulässig sind.

F i g. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel. Anstelle der sechs Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/"sind bei diesem Ausführungsbeispiel nur drei Dämpfungskondensatoren 15'a bis 15'c vorgesehen, wobei jeweils einer der Dämpfungskondensatoren 15'a bis 15'c einem Brückenzweig eines Brückenstranges des Wechselrichters 6 parallel geschallet ist. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß sich diese Schaltung in der Wirkungsweise vom Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 nicht unterscheidet. Um jedoch die gleiche Dämpfung wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 zu erhalten, muß die Kapazität der Dämpfungskondensatoren 15'a bis 15'c doppelt so groß sein, wie die Kapazität der Dämpfungskondensatoren 15;) bis 15/des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1.

Die Schaltung eines dritten Ausführungsbcispiels ist in F i g. 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Zwischenkreiskondensatoren 5a und 5b angeordnet, und es ist wiederum nur ein Dämpfungskondensator 15'a bis 15'c für jeden Brückenstrang s vorgesehen, wobei jeder Dämpfungskondensator zwischen den Hauptanschluß 14a bis 14c des zugehörigen Brückenstrangs und die Mittelhnzapfung 5c der Zwischenkreiskondensatoren geschaltet ist. Auch diese Schaltung unterscheidet sich in der Wirkungsweise nicht

ίο von derjenigen nach Fig. 1. Im Gegensatz zu den Schaltungsbeispielen nach F i g. 1 und F i g. 4, bei denen die Dämpfungskondensatoren der maximalen Spannungsbeanspruchung von + Uz ausgesetzt sind, müssen die Dämpfungskondensatoren 15'a bis 15'cdes Ausführungsbeispiels nach F i g. 5 nur die Spannung ± U/12 aufnehmen.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1, Fig.4 und F i g. 5 ist die Größe der Dämpfungskondensatoren und damit die Dämpfungswirkung nur durch die bei leerlaufendem Umrichter auftretenden Kreisströme begrenzt Die Entstehung dieser Kreisströme sei anhand der in Verbindung mit F i g. 4 gegebenen Erläuterung des Kommutierungsvorgangs und der F i g. 6 beschrieben, wobei ein leerlaufender Umrichter angenommen

2s wird; d. h, es wird angenommen, daß kein Laststrom fließt. Ohne Laststrom kann dann der Dämpfungskondensator 15a nach Umschwingen des Kommutierungskondensators Ua nicht aufgeladen werden. Wird nun im Zeitpunkt fsder Hauptthyristor 7dgezündet, so setzt ein

^o Schwingungsvorgang über die Komrnutierungsdrossel \2d, den Hauptthyristor Tdund den Dämpfungskondensator 15a ein. Der dabei über den Dämpfungskondensator 15a fließende Strom ip, der über den Hauptthyristor Td fließende Strom /V und der über die Freilaufdiode Sd fließende Strom //.· sind in Fig.6 über der Zeit t aufgetragen. Erreicht die Spannung am Dämpfungskondensator 15a im Zeitpunkt ft, null Volt, so kommutiert der in der Kommutierungsdrossel YId fließende Strom der Größe 4 auf die Freilaufdiode 9d Anschließend

₄c klingt der Kreisstrom ab. Für den Fall, daß der Kreisstrom innerhalb der Zündperiode des stromführenden Haupllhyrisiors abgeklungen ist, beträgt die Verlustenergie

P = U²Z ■ C\ 5 · fumn

worin Cisdie Kapazität des beteiligten Dämpfungskondensators und fumr die Umrichterfrequenz ist. Diese Verluste und damit die Grenze für die Größe der Kapazität der Dämpfungskondensatoren können dadurch vermieden werden, daß man die Dämpfungskondensatoren bei Unterschreiten eines Mindestlaststromes abschaltet oder daß man den Umrichterausgang mit einer induktiven Grundlast beaufschlagt

Ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Dämpfungskondensatoren abschaltbar sind, zeigt F i g. 7. Als Schalter sind im Ausführungsbeispiel Thyristoren eingesetzt. Es können auch mechanische Schalter benutzt werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist identisch mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Es sind lediglich die Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/Ober jeweils einen Thyristor 18abis 18cmitdem Hauptanschluß 14abis 14c des zugehörigen Brückenstranges verbunden. Jedem der Thyristoren 18a bis 18c ist eine Diode 19a bis 19c antiparallel geschaltet Mit den Thyristoren 18a bis 18c

(,5 werden die Dämpfungskondensatoren beim Unterschreiten eines Mindestlaststromes abgeschaltet, um das Entstehen von Kreisströmen und die damit verbundenen Verluste zu vermeiden.

F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer induktiven Grundlast 20, mit der der Umrichterausgang 21 beaufschlagt ist. Diese induktive Grundlast 20 bewirkt einen induktiven Grundlaststrom, der die Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/ zwischen Umschwingvorgang und Zündung des nächsten Hauptthyristors im Wechselrichter 6 umlädt und somit die Entstehung eines Kreisstromes verhindert. Der Umrichter und die Anordnung der Dämpfungskondensatoren 15a bis 15/" entspricht dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1. Als Grundlast 20 ist zwischen den Umrichterausgang 21 und die Drehstrommaschine 1 in jede Phase des Umrichterausgangs eine Drossel 20a bis 20c geschaltet. Jede der Drosseln 20a bis 20c besitzt zwei magnetisch gekoppelte Wicklungen 22a und 22b, wobei die Windungszahl jeder Wicklung 22a /Ji und die Windungszahl jeder Wicklung 22b /72 beträgt und /J₂ > m ist. Durch die Punkte an den Wicklungen 22a und 22b sind die Wicklungsanfänge bezeichnet. Bei jeder Drossel 20a bis 20c ;sf der Wicklungsanfang der Wicklung 22a mit dem Umrichterausgang 21 und der Verbindungspunkt 23a bis 23c des Wicklungsendes der Wicklung 22a und des Wicklungsanfangs der Wicklung 22b mit der Drehstrommaschine 1 verbunden. Die Wicklungen 22a aller Drosseln 20a bis 20c sind also vom Laststrom durchflossen. Die Wicklungsenden aller Wicklungen 22£> der Drosseln 20a bis 20c sind im Verbindungspunkt 24 miteinander verknüpft. Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 8 ist die Grundlast 20 durch eine Drehstromdrossel realisiert, deren Schenkel je mit den zwei Wicklungen 22a und 22£> bewickelt sind, und der Verbindungspunkt 24 liegt an der Sternspannung des Umrichterausgangs.

Zur Erklärung der Wirkungsweise der Grundlast 20 ist in Fig.8a die Drossel 20a mit den auftretenden Spannungen und Strömen im Detail dargestellt. Bei laufendem Umrichter fließt nur der Grundlaststrom ig. Wird ein Laststrom i₀ eingeprägt, der durch die Umrichterlast gegeben ist, so verursacht dieser Laststrom den Spannungsabfall LO in der Wicklung 22a.

Inder Wicklung 22b wird damit eine Spannung -^- ■ Uu induziert. Bei induktivem Laststrom ist die Spannung -^- · Uo der Umrichter-Sternspannung Uk entgegengerichtet, so daß ein Grundlaststrom i_g von der resultierenden Spannung

u=u_k-'±u₀

getrieben wird. Für

"ι

(F i g. 9a) ist ig induktiv, für

= ΐ^ϋ*

(F i g. 9b) ist ig=O und für

(F i g. 9c) wird /^ kapazitiv.

55

60 Diese Darstellung ist stark vereinfacht, gilt jedoch, wenn k> i_g ist, was man für den Anwendungsfall annehmen kann (/j»0,l io). In den Fig. 9a bis 9c sind unter der Annahme sinusförmiger Spannungen und Ströme die drei obengenannten Fälle als Zeigerdiagrammedargestellt.

Wie bereits erwähnt, bewirkt die Drosselanordnung einen induktiven Grundlaststrom, der die Dämpfungskondensatoren zwischen Umschwingvorgang und Hauptimpulsbeginn im Wechselrichter umlädt und somit die Entstehung eines Kreisstromes verhindert. Wesentlich ist dabei, daß der Grundlaststrom mit steigendem Umrichter-Laststrom kleiner und mit einer entsprechenden Auslegung der Drosseln 20a bis 20c bei Nennstrom zu Null gemacht werden kann. Im Nennbetrieb belastet daher Grundlast 20 die Kommutierungseinrichtung und die Hauptthyristoren nicht mehr. Dies gilt für den Fall, daß der Umrichterstrom induktiv ist, was in einem Großteil der Anwendungsfälle zutrifft. Mit größer werdendem Wirkanteil des Laststromes bleibt ein immer größerer Anteil des induktiven Grundlaststromes erhalten, so daß im Extremfall bei rein ohmscher Umrichterbelastung der Grundlaststrom die Dämpfungskondensatoren umladen kann. Zu betonen ist noch, daß durch die induktive Grundlast die Betriebssicherheit des Umrichters in keiner Weise eingeschränkt wird.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Umrichter vermieden wird, daß eine Überhöhung der Spannung am Kommutierungskondensator entsteht. Dabei ist wesentlich, daß die Dämpfungswirkung bei kleinen Zwischenkreisspannungen klein ist und mit steigender Zwischenkreisspannung zunimmt. Damit bleibt noch so viel Stromabhängigkeit der Nachladung erhalten, daß die nötige Kommutierfähigkeit gewahrt bleibt. Damit ist eine von der Umrichterfrequenz völlig unabhängige Arbeitsweise erreicht. Beim bekannten Umrichter geht die Höhe der Kommutierspannung sehr stark in die Umrichterverluste ein. Die Verluste in der Kommutierungseinrichtung betragen 80 bis 90% der Gesamtverluste. Mit steigender Frequenz steigen auch diese Verluste. Beim erfindungsgemäßen Umrichter arbeitet die Dämpfungsschaltung nahezu verlustlos. Sie verringert durch Absenkung der nur zu einem kleinen Teil nutzbaren hohen Kommutierspannungen bei hohen Zwischenkreisspannungen die Belastung der Kommutierungseinrichtung spürbar. Dadurch wird auch der Gesamtwirkungsgrad des Umrichters erheblich verbessert. Verluste, die durch Kreisströme bei leerlaufendem Umrichter auftreten, können durch Abschalten der Dämpfungsschaltung bei kleinen Zwischenkreisspannungen oder vorzugsweise durch eine induktive Grundlast praktisch völlig vermieden werden.

Abschließend ist noch anzuführen, daß die angegebene Dämpfungsschaltung sich auch zur Nachrüstung bekannter Umrichter eignet, weil der konstruktive Aufwand unerheblich ist. Eine Erhöhung der Leistungsausbeute ist damit gegeben.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis, einem gesteuerten Gleichrichter und einem Wechselrichter mit Hauptthyristoren in Brückenschaltung, zu der Freilaufdioden in Brückenschaltung antiparallel geschaltet sind, wobei jedem Brückenzweig ein Löschkreis mit einem Löschthyristor und einem Kommutierungskondensator parallel geschaltet ist, für zwei Brückenzweige, die einen gemeinsamen Hauptanschluß besitzen, jeweils ein Kommutierungskondensator vorgesehen ist und in den Kommutierungsstromkreisen Kommuiierungsdrosseln angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils zwei Brückenzweige mit gemeinsamem Hauptanschluß (14a bis \4c) wenigstens ein Dämpfungskondensator (ISa bis 15/° bzw. iS'a bis 15'c) vorgesehen ist, der zu einem Brückenzweig parallel geschaltet ist

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Brückenzweig ein Dämpfungskondensator (15a bis 15/? parallel geschaltet ist (Fig. 1,7,8).

3. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brückenzweigen mit gemeinsamem Hauptanschluß (14a bis i4c)]e ein Dämpfungskondensator (15'a bis 15'c^ zugeordnet ist, der zwischen den Hauptanschluß (14a bis 14ς) und einer Mittelanzapfung (5c) des Zwischenkreiskondensators (5a und 5b)geschaltet ist (F i g. 5).

4. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität aller Dämpfungskondensatoren wenigstens angenähert gleich groß ist.

5. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen den Hauptanschluß (14a bis 14c} zweier Brückenzweige und zugehörige Dämpfungskondensatoren (15a bis 15/?ein Schalter (18a bis !eingeschaltet ist (F i g. 7).

6. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (21) des Umrichters mit einer induktiven Grundlasl (20) verbunden ist (F i g. 8).

7. Umrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jede Ausgangsleitung (21) eine Drossel (20a bis 2Oc^ mit zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen (22a, 22b)geschaltet ist und daß eine Wicklung (22a) jeder Drossel mit dem Wechselrichterausgang (21), der Verbindungspunkt (23a) der beiden Wicklungen (22a, 226>,> jeder Drossel mit der Last (Drehstrommaschine 1) und die anderen Wicklungen (22b) aller Drosseln miteinander verbunden sind (F i g. 8).