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Selbstgeführter Stromrichter
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Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstgeführten Stromrichter
mit in jeder Phase Reihenscheltung von zwei an eine Versorgungsgleichspannungsquelle
angeschlossenen steuerbaren Hauptventilen, mit zwei den Hauptventilen zugeordneten
Freilaufventilen und mit einer Einrichtung zur Zwangskommutierung, bei der Jedem
Hauptventil ein gesteuertes Löschventil zugeordnet ist u be.
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der wenigstens eine Kommutierungsdrossel und ein für beide Hauptventile
gemeinsamer Kommutierungskondensator vorges hen ist, der über gesteuerte Ventile
mit einer Hilfs-Spannungsquelle verbunden ist und dem ein Rückladepfad in eine Spannungsquelle
zugeordnet ist, der ein Rückladeventil und einen Rückladewiderstand enthält.
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Bei einem derartigen selbstgeführten Stromrichter mit Zwangskommutierung
soll eine ausreichende Kommutierungsfähigkeit der Hauptventile auch bei schwankender
Versorgungsgleichspannung und hohem taststrom sichergestellt sein.
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Bei einem bekannten selbstgeführten Stromrichter ist der gemeinsame
Kommutierungskondensator huber zusätzliche gesteuerte Ventile mit einer Hilfsspannungsquelle
verbunden (DT-OS 2 007 567). Wenn der Strom in einem Hauptventil unterbrochen werden
soll, so werden die Löschventile gezündet und der Kommutierungskondensator entlädt
sich über das betreffende Hauptventil, so daß dieses erlischt. Sobald das Hauptventil
erloschen ist, schwingt der Kommutierungskondensator Uber die Löschventile, die
Kommutierungsdrossel und ein Freilaufventil um. Der Laststrom fließt weiter über
die Löschventile, den Kommutierungskondensator und eine Kommutierungsdrossel und
überlagert sich dem Umschwingstrom. Der Kommutierungskondensator hat nach dem Umschwingvorgang
widerer annähernd die gleiche Spannung, Jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen,
wie vor der Unterbrechung des Stromes ii betreffenden
Hauptventil.
Zur Nachladung des Kommutierung kondensators werden die zusätzlichen gesteuerten
Ventile im Nachladezweig jeweils im richtigen Zeitpunkt gezündet, so daß ein Nachladestrom
fließt, der den Kommutierungskondensator euf eine Spannung auflädt, die etwas größer
ist als die Spannung der Hilfsspannungsquelle. Die Lade spannung des KoPunutierungskondensators
ist unabhängig von der Versorgungsgleichspannung. Der bekannte Stromrichter k&nli
mit variabler Eingangsgleichspannung betrieben werden. Nachteilig ist Jedoch der
hohe Aufwand an zusätzlichen Ventilen und einer speziellen Drosselspule.
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Bei einer weiteren bekannten Einrichtung der eingangs genannten Art
wird der Kommutierungskondensator wiederum zunächst aus der Versorgungsgleichspannungsquelle
aufgeladen (DT-OS 2 408 609).
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Zum Nachladen des Kommutierungskondensators aus einer Hilfsspannungsquelle
ist ein Nachladezweig vorgesehen, der aus der Reihenschaltung eines Nachladewiderstandes
mit einem steuerbaren Nachladeventil besteht. Zur Rückladung des Kommutieringskondensators
in die Versorgungsgleichspannungsquelle ist ei: steuerbares RUckladeventil vorgesehen,
das dann zündbar ist, , nn die Spannung am KommutierungRkondensator einen vorgegebenen
Grenzwert überschreitet. Bei desem bekannten selbstgeführten Stromr4chter ist nachteilig,
daß die Nachladung Uber einen Widerstand erfolgt und daher verlustbehaftet ist.
Weiterhin ist ein zusätzliches Nachladeventil erforderlich. Durch die Rückladung
auf die Versorgungsgleichspannung und die Aufladung auf die Hilfsgleichspannung
müssen die Schonzeiten sowohl für die Nachladeventile als auch für die Rückladeventile
eingehalten werden. Dadurch ist die Ausgangsfrequenz dieses Stromrichters begrenzt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem selbstgeführten
Stromrichter der eingangs genannten Art unter Verwendung einer möglichst geringen
Anzahl von zusätzlichen Ventilen eine ausreichende Rommutierungsfähigkeit auch bei
stark schwankender Versorgungsgleichspannung sicherzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kommutierungskondensator
über die gesteuerten Löschventile einerseits
und über den Rückladepfad
andererseits mit der Hilfsspan nungsquelle verbunden ist, wobei entweder zwei gleichnamige
Foteniale oder die Mittelpunkte der beiden Spannnungsquellen miteinander verbunden
sind.
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Beim erfindungsgemäßen selbstgeführten Stromrichter wird die Energie
für den Kommutierungskondensator in erster Linie aus der Hilfsspannungsquelle entnommen.
Nur bei sehr hohen Lastströmen kann es zu einer zusätzlichen Aufladung des Kommutierungskondensators
kommen. Diese über die normale Ladespannung hinausgehende Überspannung wird in die
Hilfsspannungsquelle zurückgespeist. Durch die Ankopplung des Kommutierungskondensators
an die Hilfsspannungsquelle über die in der Stromrichterschaltung bereits vorhandenen
Löschventile werden keine zusätzlichen Ladeventile benötigt. Lediglich zur Rückladung
einer überschüssigen Ladungsmenge werden je nach der gewählten Schaltung ein oder
zwei. Rückladeventile zusätzlich benötigt, die als ungesteuerte oder gesteuerte
Ventile ausgebildet sein können. Die Aufladung des Kommutierungskondensators erfolgt
praktisch verlustfrei. Der erfindungsgemäße selbstgeführte Stromrichter kann mit
hoher Ausgangs @enz betrieben werden.
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In den Figuren der beigefügten Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung und ihre in den Unteranprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen
erläutert.
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Fig. 1 zeigt die Schaltung eines erfindungsgemäßen selbstgeführten
Stromrichters mit einer Reihenschaltung von zwei eine Versorgungsgleichspannungsquelle
1 angeschlossenen steuerbaren Hauptventilen n1 und n2, beispielsweise Thyristoren.
Den Hauptventilen sind ungesteuerte Freilaufventile n3 und n4 zugeordnet. Eine Einrichtung
zur Zwangskommutierung enthält gesteuerte Löschventile n5 und n6, beispielsweise
Thyristoren, die den Hauptventilen nl und n2 zugeordnet sind, sowie einen fiir beide
Hauptventile gemeinsamen Kommutierungskondensator CK und die Kommutierungsdrosseln
Lk1 und Lk2. Am Verbindungspunkt der beiden Hauptventile n1, n2 ist die Ausgangsklemme
7 angeschlossen.
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Die Versorgungsgleichspannungsquelle 1 ist schematisch als Gleichrichter
dargestellt, der beispielsweise e en ei. rbhstromnetz angeschlossen sein kann, und
dessen Ausgangsspannung von den in Reihe geschalteten Kondensatoren C1 und C2 geglättet
wird. Die gesamte Anordnung stellt somit einen Zwischenkreisumlenker mit eingeprägter
Zwischenkreis-Gleichspannung dar.
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Weiterhin ist eine Hilfsspannungsquelle 2 vorgesehen, die eberfalle
als Gleichrichter dargestellt ist daß dessen Ausgangsspan nung an den in Reihe geschalteten
Kondensatoren C3 und C4 abgegriffen ist.
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Bei den Gleichrichtern in der Versorgungsgleichspannungsquelle 1 und
in der Hilfsspannungsquelle 2 kann es sich insbesondere auch um gesteuerte Gleichrichter
handeln.
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Der für beide Hauptventile ni, n2 gemeinsame Kommutierungskondensator
CK ist über die gesteuerten Löschventile r5 und n6 mit der Hilfsspannungsquelle
2 verbunden. Der Kommutierungskondensator CK wird bei jedem Löschvorgang auf die
Hilfsspannung 62 aufgeladen.
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Dem Kommutierungskondensator Ck ist ein Rückladepfad zugeordnet, der
einen Rückladewiderstand R und die beiden Rückladeventile n7 und n8 enthält. Die
Rückladeventile können als Dioden oder als gesteuerte Ventile ausgebildet sein,
beispielsweise als Thyristoren. Die Rückladeventile verbinden den Kommutierungskondensator
CK mit der Hilfsspannungsquelle 2.
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Der Verbindungspunkt der Kondensatoren C1 und C2 in der Versorgungsgleichspannungsquell-r
1 ist mit dem Verbindungspunkt der Kondensatoren C3 und C4 in der Hilfsspannungsquelle
2 verbunden. Auf diese Weise ist der Mittelpunkt der Versorgungsgleichspannungsquelle
1 mit dem Mittelpunkt der Hilfsspannungsquelle 2 verbunden.
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Bei einem Kommutierungsvorgang wird einer der beiden Löschthyristoren
n5 bzw. n6 gezündet Der Kommutierungskondensator Ck entlädt sich auf das betreffende
Hauptventil n1 bzw. n2, welches erlischt. Der Umschwingstrom fließt beispielsweise
vom Kommutierungskondensator
Ck über die beiden Kommutierungsdrosseln
Lki und Lk2, das Freilaufventil n3, den Kondensator C1, den Kondensator C3 und den
Löschthyristor n5 nach CR, bzw. von C, über n6, C4, C2, n4, Lkl, Lk2 nach Ck. Diesem
Umschwingstrom überlagert sich ein Teil des Laststromes, der in des Kommutierungskreis
fließt. Die Aufladung des Kommutierungskondensators CK erfolgt sowohl stromunabhängig
aus der Hilfsspannungsquelle U2 als auch stromabhängig vom Laststrom Die Spannung
am Kommutierungskondensator Ck würde ohne Berücksichtigung des Rückladepfades den
Wert uc1 nach Gleichung (1) annehmen:
wobei iL der Laststrom, L die wirksame induktivität im Kommutierungskreis und C
die Kapazität des Kommutierungskondensators bedeutet.
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Über den Rückladepfad mit dem Rückwiderstand R und mit Dioden als
Rückladeventile n7 bzw. n8 wird der Kommutierungskondensator Ck auf den Wert uc2
nach Gleichung (2) rückge den:
Wenn vorausgesetzt wird, daß die konstante Spannung U2 der Hilfsspannungsquelle
2 dem maximal möglichen Wert der Spannung Ul der variablen Versorgungsgleichspannungsquelle
1 entspricht, so kann beispielsweise bei Ul # 0 Volt bereits der halbe maximal mögliche
Laststrom kommutiert werden. Bei steigenden Werten von Ul steigt die Kommutierungsfähigkeit
entsprechend an. Die konstante Hilfsspannung U2 wird zweckmäßigerweise so gewählt,
daß der bei dem kleinstmöglichen Wert der Versorgungsgleichspannung Ul maximal mögliche
Laststrom kommutiert werden kann. Die Bauelemente des Stromrichters werden für den
größmöglichen Wert der Versorgungsgleichspannung Ul ausgelegt. Im Vergleich zu den
eingangs erwähnten bekannten selbstgeführten Stromrichtern können die Elemente des
Koflutierungskreises des erfindungsgemäßen Stromrichters wesentlich leistungaschwächer
ausgelegt werden. Die Ausgangsirequenz des Stromrichters kann erhöht werden, da
die Umschwingzeiten kleiner sind.
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Wenn als Rückladeventile n7 U: n8 gesteuerte Ventile, beispielsweise
Thyristoren, verwendet. werden, so kann ein gewünschte Kommutierungsspannung am
Kommutierungskondensator Ck als maximal zugelassene Kondensatorspannung in einem
bekannten Zündsteuergerät für die gesteuerten Rückladeventile n7, n8 eingestellt
werden.
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Die maxima mögliche Spannur.g ergibt sich nach Gleichung (1).
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Bei nicht stromaufnahmefähiger Versorgungsgleichspannungsquelle 1
kann die Leerlauffestigkeit der dargestellten Stromrichterschaltung durch die beiden
Begrenzerdioden n9 und n10 erreicht werden.
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Damit wird die Versorgungsgleichspannung aus dem Wert der Hilfsspannung
gehalten. Wenn die Versorgungsgleichspannung U1 bei Null Volt bleiben soll, so läßt
sich die Spannung an den Zwischenkreiskondensatoren C3 und C4 der Hilfsspannungsquelle
2 auf diesem Wert halten, wenn die Zwischenkreikodensatoren C und C2 der Versorgungsgleichspannungsquelle
1 Jeweils von der Reihenschaltung eines Nullwiderstandes 3 mit einem Schalter t
bzw. eines Nullwiderstandes 5 mit einem Schalter 6 überbrückt sind Der Leistungsverlutt
durch die Nullwiderstände 3 bzw. 5 ist gering, da sich der Umschwingstrom hauptsächlich
auf die Ersatzwicerstände des Zwischenkreises aufteilt.
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Fig. 2 zeigt eine unsymmetrisch aufgebaute Stromrichterschaltung.
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Das Bezugspotential der Versorgungsgleichspannungsquelle 1 ist mit
dem Bezugspotential der Hilfsspannungsquelle 2 verbunden. Als Kommutierungsspannung
steht stets die Spannung U2 der Hilfsspannungsquelle 2 zur Verfügung. Da Jedoch
eine Uberladung des Kommutierungskondensators Ck möglich ist, erhöhen sich die RUckladeverluste.
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Fig. 3 zeigt eine Stromrichterschaltung, bei der Umschwingdioden nil
und n12 an die Hilfsspannungsquelle 2 angebunden sind. Bei dieser Schaltung kann
bereits bei einer Versorgungsgleichspannung von Ul nahezu Null Volt der volle Laststrom
kommutiert werden. Dabei steht an den Hauptventilen ni und n2 die doppelte Schonzeit
zur Verfügung gegenüber dem Fall der Spannungsgleichheit von Ul und U2. Damit am
Ausgang 7 auch Lasten mit einer Blindkomponente, beispielsweise elektrische Maschinen,
angeschlossen
werden können, sind Freilaufventile als gesteuerte
Freilaufventile t3 und t4 ausgebildet, beispielsweise als Thyristoren.
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Damit ist ein Freilauf huber die Versorgungsgleichspannungsquelle
1 möglich.
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Die Erfindung wurde bisher zur einfacheren Erläuterung nur für den
einphasigen Fall beschrieben. Eine Erweiterung auf den dreiphasigen Fall ist selbstverständlich
möglich und liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
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L e e r s e i t e