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1? SelbstgefUhrter Stromrichter"
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Die Erfindung bezieht sich auf einen selbstgeSUhrten Stromrichter
in sperrspannungsfreier Schaltung mit zwei H.auptthyristoren und mit jeweils zwei
antiparallel zu denselben geschalteten Dioden je Phase, deren Mittelabzweige als
Phasenanschluß dienen und mit einer Kommutierungseinrichtung in Verbindung stehen,
die aus einem Löschkondensator un.d einer dazu in Reihe geschalteten Koiranutierungsdrossel
sowie zwei steuerbaren antiparallel zueinander angeordneten Löschventilen aufgebaut
ist, wobei die Kommutierungseinrichtung an den Verbindungspunkt der ersten Elektrode
zweier in Reihe geschalteter Stützkondensatoren angeschlossen ist, deren zweite
Elektroden einerseits über je eine weitere Kommutierungsdrossel an die Hauptthyristoren
und andererseits an einen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
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Der selbstgeführte Stromrichter findet beispielsweise Anwendung bei
der Drehstromversorgung von Antrieben und kann Teil eines Umrichters sein.
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Ein derartiger selbstgeführter sogenannter sperrspar£nungsfreier
Stromrichter
ist aus den BBC-Nachrichten Jg. 48, H. Januar/1966, S. 45 bis 58 bekannt. Die Stützkondensatoren
sind bei der bekannten Schaltung (BBC-Nachrichten 1966) an die Gleichstrompole der
die umzuformende Gleichstromenergie liefernde Gleichspaniiungsquelle angeschlossen.
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Der bekannte Stromrichterkann bei stark schwanke¢er Gleichspannung
nicht mehr wirtschaftlich eingesetzt werden, weil die Koniniutierungsspannung und
damit die tommutierungsfähigkeit von der Größe der Gleichspannung abhängig ist.
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Es ist weiterhin bekannt, die Spannung an einem Eommutierungskondensator
einer Stromrichteranordnung zu regeln (DT-OS 2 158 633) oder eine Mindestspannung
zu erhalten, in-dem über eine Hilfsspannungsquelle nachgeladen wird (DT-OS 2 055
176); jedoch erfodert dies einen beachtlichen gerätetechnischen Aufwand, der nicht
immer zu vertreten ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Stromrichter zu schaffen,
der unabhängig von der Größe und den Schwankungen der umzuwandelnden Gleichspannung
arbeitet.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der Löschkondensator
über je ein zusätzliches steuerbares Hilfsventil in Reihe mit je einer zusätzlichen
Hilfsinduktivität jeweils mit den positiven und negativen Polen einer Hilfsgleichsspannungsquelle
verbunden ist, daß die Aufladehalbschwingung für den Löschkondensator durch Zünden
des entsprechenden zusätzlichen Hilfsventiles eingeleitet wird.
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In vorteilhafter Weise ist der Verbindungspunkt der beiden ersten
Stützkondensatoren mit der ersten Elektrode eines drittenund eines vierten Stützkondensators
verbunden. Die zweite Elektrode des dritten bzw. des vierten Stützkondensators steht
zum einen mit dem positiven bzw. negativen Pol der Hilfsgleichsspannungsquelle in
Verbindung und ist zum anderen über die Hilfsinduktivität an das steuerbare Hilfsventil
in Durchlaßrichtung bzw. Sperrichtung angeschlossen.
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Die beiden steuerbaren Hilfsventile sind mit dem Verbindungspunkt
der ersten Kommutierungsdrossel und den beiden antiparallel angeordneten steuerbaren
Löschventilen verbunden.
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In vorteilhafter Weise besteht für die Kondensatoranordnung auch die
Möglichkeit, drei Stützkondensatoren in Reihe zu schalten, die zum einen mit dem
positiven bzw. negativen Pol der Hilfsgleichsspannungsquelle verbunden sind und
zum anderen jeweils mit der Hilfsinduktivität in Verbindung stehen. Dem mittleren,
der drei in Reihe ge£chalteten Stützkondensatoren sind zwei Löschkondensatoren parallel
geschaltet, deren Mittelabzweig an die erste Kommutienrngsdrossel angeschlossen
ist. Der Verbindungpunkt des ersten und des zweiten der drei in Reihe geschalteten
Stützkondensatoren ist mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle verbunden,
während der Verbindungspunkt des zweiten und dritten der drei in Reihe geschalteten
StUtzkondensatoren mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle in Verbindung
steht, Der erfindungsgemäße Stromrichter kann auch mehrphasig ausgebildet werden.
Hierfür sind je Phase zwei Hauptthyristoren und zwei jeweils antiparallel dazugescbaltete
Dioden vorgesehen, wobei die Verbindungspunkte des zu einer Phase gehörigen Thyristorbruckenzweiges
bzw. Diodenbrückenzweiges miteinander verbunden sind und den Phasenausgang bilden
können. Alternativ dazu können zwischen die Kauptthyristoren
und
antiparallelen Dioden auch Saugdrosseln entsprechend einem älteren Vorschlag (P
25 52 537) geschaltet sein. Die Kommutierungsdrossel der Kommutierungseinrichtung
ist entweder direkt an einen Löschkondensator angeschlossen oder steht mit dem Verbindungspunkt
der beiden in Reihe geschalteten Löschkondensatoren in Verbindung, die zu dem, an
die Gleichspannungsquelle angeschlossenen Stützkqndensator parallel geschaltet sind.
Der erfindungsgemäße Stromrichter besitzt vorteilhaft eine ausgezeichnete Kommutierungsfähigkeit
auch bei hohen Umschaltfrequenzen' da die Spannung am bzw. an den Löschkondensatoren
selbsttätig konstant gehalten wird.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter wird nachiolbend anhand von Zeichnungen
näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 den erfindungsgemäßen Stromrichter, Fig. 2 einen
für drei Phasen ausgebildeten Stromrichter, Fig. 3 eine Variante des erfindungsgemäßen
Stromrichters, Fig. 4 die dreiphasig ausgebildete Variante des erfindungsgemäßen
Stromrichters.
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Figur 1 zeigt den erfindungsgemäßen Stromrichter mit zwei Hauptthyristoren
1 und 2, zwei Dioden 3 und 4, zwei steuerbaren Löschventilen 5 und 6, drei Eommutierungsdrosseln
7, 8 und 9, einen Löschkondensator 10, vier Stützkondensatoren 11, 12, 13 und 14,
zwei Hilfsinduktivitäten 15 und 16 sowie zwei steuerbaren Hilfsventilen 17 und 18.
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Die beiden Hauptthyristoren 1 und 2 sind in Reihe geschaltet und bilden
einen Brückenzweig. Das gleich gilt für die beiden Dioden 3 und 4. Die Dioden 3
und 4 sind antiparallel zu den Hauptthyristoren 1 und 2 angeordnet. Die Verbindungspunkte
31 und 32 der Hauptthyristoren 1 und 2 und der Dioden 3 und 4 stehen miteinander
in Verbindung. Der Verbindungspunkt 31 der Hauptthyristoren 1 und 2 steht zusätzlich
mit einer tommutierungseinrichtung 21 in Verbindung. Die Kommutierungseinrichtung
21 wird durch eine Reihenschaltung zweier antiparallel angeordneter steuerbarer
Löschventile 5 und 6, einer Kommutierungsdrossel 7 und eines Löschkondensators 10
gebildet. Der Löschkondensator 10 ist mit dem Verbindungspunkt 34 der beiden in
Reihe geschalteten Stützkondensatoren 11 und 12 verbunden. Die zweite Elektrode
des StUtzkondensators 11 bzw. 12 ist an den positiven bzw. negativen Pol einer Gleichspannungsquelle
19 angeschlossen, die die Gleichspannung Ud liefert. Zusätzlich ist die zweite Elektrode
jedes StUtzkondensators 11 bzw. 12 über die Kommutierungsdrossel 8 bzw.
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9 mit dem Hauptthyristor 1 bzw. 2 in Durchlaßrichtung bzw.
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Sperrichtung und mit der Reihenschaltung der Dioden 3 und 4 in Durchlaßrichtung
bzw. Sperrichtung verbunden. Der Verbindungsptmkt 34 der beiden in Reihe geschalteten
StUtzkondensatoren 11 und 12 ist zusätzlich an einen dritten und vierten Stützkondensator
13 und 14 angeschlossen. Die zweite Elektrode des Stützkondensators 13 bzw 14 ist
an den pcsitiven bzw. negativen Pol einer Hilfsgleichsspannungsquelle 20 angeschlossen.
Die Hilfsgleichsspannungsquelle 20 liefert eine konstante Gleichspannung UH . Zusätzlich
steht die zweite Elektrode des dritten bzw. vierten Stützkondensators 13 bzw. 14
über eine Hilfsinduktivität 15 bzw. 16 und ein steuerbares Hilfsventil 17 bzw. 18
mit dem Terbindullgspunkt 33 der in Reihe mit dem Löschkondensator 10 liegenden
Kommutierungsdrossel 7 und den antiparallel angeordneten steuerbaren Löschventilen
5 und 6 in Verbindung. Der Verbindungspunkt
32 der Dioden 3 und
4 stellt gleichzeitig den Ausgang des erfindungsgemäßen Stromrichters dar.
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Der erfindungsgemäße Stromrichter hat im Wechselrichterbetrieb folgende
Wirkungsweise: Die Energieübertragung von der Gleichstromseite zur Wechselstromseite
des Stromricters beginnt beispielsweise über den durchgeschalteten Hauptthyristor
1. Gleichzeitig seien alle übrigen Thyristoren gesperrt. In diesem Fall fließt ein
Strom von der Gleichspannungsquelle 19 über die Kommutierungsdrossel 8 und den Hauptthyristor
1 an den Wechselstromausgang 22 des Stromrichters. Dieser Zustand bleibt solange
be-5 stehen, bis das steuerbare Löschventil/einen Impuls erhält und gezündet wird.
Dies kann erst dann erfolgen wenn der Löschkondensator 10 voll aufgeladen ist und
zwar mit einer Spannungsrichtung (wie in Fig.1 eingezeichnet), wobei der Verbindungspunkt
34 der vier Stützkondensatoren 11 bis 14 in diesem Fall mit der negativen Elektrode
des Löschkondensators 10 verbunden ist. Durch diese Beschaltung fließt in einer
Löschhalbschwingung ein Strom vom Löschkondensator 10 über die Koinmutierungsdrossel
7 und das steuerbare Löschventil 5. Dieser Strom ist größer als der Maximalwert
des Laststromes. Folglich fließt ein Strom, der sich aus der Differenz zwischen
Kommutierungsstrom und Laststrom ergibt über die Diode 3 ab. Der Hauptthyristor
1 wird mit dem Durchlaß spannungs abfall der Diode 3 und dem induktiven Spannungsabfall
der Leitungsfulirung beansprucht (BBC-Nachrichten 1966, S. 46). Der Kommutierungsstrom
ist sinusförmig. Die Kommutierungsdrossel 7 und der Löschkondensator 10 sind so
ausgelegt, daß der Hauptthyristor 1 genügend Zeittatperrfest zu werden. Wird der
Kommutierungsstrom kleiner als der Laststrom, so ändert die Speisespannung ihre
Polarität. Der Laststrom fließt jetzt Uber die Diode 4.
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Nach der Stromleitdauer im Bbschthyristor 5, wenn die Spannung am
Löschkondensator 10 Null geworden ist, d.h. nach
der Löschhalbschwingung
für den Hauptthyristor 1 wird zum einen der Hauptthyristor 2 und zum anderen das
steuerbare Hilfsventil 18 gezündet, so daß ein Strom über das steuerbare Hilfsventil
18, die ilfsinduktivität 16, den StUtskondensator 14, den Löschkondensator 10 und
die Kommutielo rungsdrossel 7 fließt, wodurch der Löschkondensator/in elnt Aufladeschwingung
aufgeladen wird und zwar mit einer Polarität die seiner vorangegegangenen Aufladung
entgegengerichtet ist (siehe Fig. 1 die in Klammer eingeseichnete Polarität). In
ähnlicher Weise fließt ein Strom Uber den Stützkondensator 13, die Hilfsinduktivität
15, das steuerbare Hilfsventil 17, die Kommutierungsdrossel 7 und den Löschkondensator
10, wenn nach dem Löschen des.Hauptthyristors 2 der Löschkondensator wieder aufgeladen
werden soll. Durch das wechselweise Durchschalten und Sperren der Hauptthyristoren
1 und 2 wird abwechselnd das positive und das negative Potential der Eingangsgleichspannung
an den Wechselstromausgang 22 durchgeschaltet und im Zuge der jeweiligen Aufladeschwingungen
immer für eine ausreichende Kondensatorspannung bzw. Löschspannung gesorgt.
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Unter idealisierten Verhältnissen (keine Dämpfung in den Lösch- und
Aufladekreisen) ergibt sich im Leerlauf ein stabiler Betrieb, wobei sich der Löschkondensator
10 abwechselnd auf eine Spannung der Größe - (Ud + UH)/2 + (Ud +UH)/2 auflädt. Die
wirksame Löschspannung wird damit UH/2 ; sieAaso von der Höhe der Gleichspannung
Ud unabhängig. Durch Dämpfung in den Lösch- und Aufladekreisen und durch Belastung
des Wechselstromausganges des Stromrichters wird die Löschspannung nur geringfügig
verändert.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht also einen Betrieb mit nicht
nur genügend hoher, sondern auch mit konstanter Löschspannung bei beliebig schwankender
Eingangsspannung Ud, weil die Hilfsspannung UH in einfacher Weise konstant gehalten
werden kann. Durch die Aufladung über die
Hilfsventile 17 und 18
werden gegenüber der üblichen Betriebsweise die Hauptthyristoren 1 und 2 und die
Löschventile 5 und 6 vom Aufladestrom entlastet, so daß die Belastungsfähigkeit
des Stromrichters in der erfindungsgemäßen Anordnung steigt.
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Es besteht natürlich die Möglichkeit, den in Fig.1 dargestellten einphasigen
Stromrichter auf mehr, insbesondere auf drei Phasen zu erweitern, ohne daß dadurch
die Wirkungsweise des Stromrichters beeinflußt wird, FUr den Fall eines dreiphasigen
Stromrichters sind je Phase zwei in Reihe geschaltete Hauptthyristoren 1 und 2,
101 und 102, 201 und 202 sowie zwei in Reihe geschaltete Dioden 3 und 4, 103 und
104, 203 und 204 vorgesehen. Die Verbindungspunkte der für eine Phase vorgesehenen
beiden Hauptthyristoren und den beiden jeweils antiparalle»tazu angeordneten Dioden
sind miteinander verbunden. Für jede Phase ist ebenfalls eine Kommutierungseinrichtung
vorgesehen.
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Jede Kommutierungseinrichtung weist zwei antiparallel geschaltete
Löschventile, insbesondere Thyristoren 5 und 6, 105 und 106, 205 und 206 auf. Diese
sind mit einer allen drei Kommutierungseinrichtungen gemeinsamen Kommutierungsdrossel
7 und einem gemeinsamen Löschkondensator 10 in Reihe geschaltet. Die Zusammenfassung
von Löschkondensatoren von mehreren Zweigen einer Wechselrichterschaltung ist als
solche bekannt (O. Mohr "Untersuchungen an elastischen Mehrfachumrichtern", Ib.
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Forschungsinstitut AEG 5 (1936 bis 1937), Seite 11 bis 19) und ist
auch für einen sperrspannungsfreien Wechselrichter bereits vorgeschlagen worden
(P 25 52 5537.5). Der Aufbau des mehrphasigen Stromrichters entspricht im weiteren
den in Figur 1 gezeigten Stromrichter.
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Figur 3 zeigt eine Variante des in Figur 1 gezeigten Stromrichters.
Die Hauptthyristoren 1 und 2, die Dioden 3 und 4, die steuerbaren Löschventile 5
und 6, die Kommutierungsdrosseln 7, 8 und 9, die steuerbaren Hilfsventile 17 und
18
sowie die Hilfsinduktivitäten 15 und 16 sind in gleicher Weise
geschaltet, wie es bereits in der zu Fig.1 gehörigen Beschreibung erläutert wird.
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Die Stützkondensatoren 13 und 14 sind mit ihrer ersten Elektrode mit
den beiden Elektroden eines dritten StUtzkondensators verbunden, so daß eine Reihenschaltung
von drei Stützkondensatoren 13, 50 und 14 entsteht. Dem StUtzs kondensator 50 sind
zwei in Reihe geschaltete Löschkondensatoren 100und 200 parallel geschaltet. Der
Verbindungspunkt 36 der beiden Löschkondensatoren 100 und 200 ist mit der Kommutierungsdrossel
7 verbunden. Die zweite Elektrode des Stützkondensators 13 bzw. 14 ist zum einen
an den positiven bzw. negativen Pol der Hilfsgleichsspannungsquelle 20 angeschlossen.
Zum anderen steht die zweite Elektrode des Stützkondensators 13 bzw. 14 mit der
Hilfsinduktivität 15 bzw. 16 in Verbindung. Der Verbindungspunkt 34 der in Reihe
geschalteten Stützkondensatoren 13 und 50 ist sowohl an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle
19 als auch an die Kommutierungsdrossel 8 angeschlossen, während der Verbindungspunkt
35 der beiden Stützkondensatoren 14 und 50 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle
19 und der Kommutierungsdrossel 9 in Verbindung steht. Auf diese Weise sind die
Löschkondensatoren 100 und 200 sowohl direkt an die Gleichspannungsquelle 19 als
auch über die Stützkondensatoren 13 und 14 an die Hilfsgleichsspannungsquelle 20
angeschlossen.
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Der in Figur 3 gezeigte einphasige Stromrichter läßt sich ebenfalls
in einen mehrphasigen Stromrichter umgestalten.
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Die Erweiterung erfolgt analog wie in der zu Fig.2 gehörigen Beschreibung
erläutert. Die Je Phase zusätzlich erforderlichen Reihenschaltungen von Hauptthyristoren
1 und 2, 101 und 102, 201 und 202 sowie die je Phase dazu antiparallel angeordneten
Dioden 3 und 4, 103 und 104, 203 und 204 werden mit den
Kommutierungsdrosseln
8 und 9 verbunden. Die miteinander verbundenen Verbindungspunkte der je Phase erforderlichen
Hauptthyristoren 1 und 2, 101 und 102, 201 und 202 und Dioden 3 und 4, 103 und 104,
203 und 204 sind auch in diesem Fall mit je einer Kommutierungseinrichtung verbunden.
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Für jede Kommutierungseinrichtung sind auch hierbei je zwei antiparallel
geschaltete steuerbare Löschventile 5 und 6; 105 und 106; 205 und 206 vorgesehen,
die mit der allen Kommutierungseinrichtungen gemeinsamen Kommutierungsdrossel 7
und den gemeinsamen Löschkondensatoren 100 und 200 in Reihe geschaltet sind.
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