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Verfahren zum Betrieb von elastischen Umrichtern.
Bekanntgeworden sind Umrichter, die sich auf eine natürliche Kommutierung beschränken.
Allen diesen Anordnungen ist die starre oder nur sprunghaft veränderliche Phasenlage der erzeugten
Umrichterausgangsspannung gemeinsam. Um einen elastischen Betrieb verwirklichen zu können, wurde eine zusätzliche Kommutierungseinrichtung-Kondensator oder Schwingkreis - eingeführt.
Diese zusätzliche Kommutierungseinriehtung wurde zur besseren Ausnutzung bei Verwendung mehrerer
Teilumriehter so ausgestaltet, dass jeweils eine Kommutierungseinriehtung mehreren Teilumrichtern zur Kommutierung diente ; dabei wurde auf die natürliche Kommutierung nicht verzichtet, und man erhielt dadurch für die zwei verschiedenartigen Kommutierungen - natürliehe und Zwangskommu- tierung-komplizierte Gittersteuerungseinrichtungen. Die so erzeugten Umriehterspannungen besassen angenähert Rechteck-oder Trapezform mit dazwischen liegenden Nullstücken.
Bei allen den bekannten Umrichterverfahren wurde die einseitige Forderung aufgestellt, die sekundäre Verzerrungsleistung so klein wie irgend möglich zu gestalten und eine möglichst gute An- näherung der erzeugten Kurvenform an die Sinusform zu erreichen. Keinerlei Rücksicht wurde hiebei auf die Rückwirkung auf das Primärnetz und auf die primäre Verzerrungsleistung genommen. Die vorliegende Erfindung entfernt sieh bewusst von dieser einseitigen Forderung und erreicht dadurch, da sie praktisch alle vorkommenden Kommutierungen als Zwangskommutierungen ausführt, dass die
Summe aus der primären und sekundären Verzerrungsleistung sich stark dem überhaupt erreichbaren
Minimalwert, der durch den Ausdruck sekundäre Scheinlast : V 2 gegeben ist, nähert.
Es wird also durch die Gestaltung der sekundären Spannungskurve gemäss der Erfindung bei einer geringen Oberwelligkeit der Ausgangsspannung jede Phase des mehrphasigen Primärnetzes unabhängig vom sekundären Leistungsfaktor für sich vollkommen symmetrisch belastet ; dabei bleibt der Verschiebungsfaktor (Quotient aus Gesamtleistungsfaktor und primärem Verzerrungsfaktor) des Primärnetzes ebenfalls unabhängig vom Sekundärleistungsfaktor und dauernd gleich 1. Die Kommutierungseinrichtung kann bei geeigneter Anordnung ebenso klein gehalten werden wie bei einer Anordnung für die kombinierte natürliche und zwangsweie Kommutierung.
Erfindungsgemäss wird die Brenndauer der einzelnen Entladungsstreeken durch Zusammenwirken der Primär-und der Sekundärspannung nun so geregelt, dass sieh dieser optimale Summenwert der Verzerrungsleistung ergibt. Das wird dadurch erreicht, dass die Brenndauer der einzelnen Entladungsstrecken durch die Schnittpunkt der inversen Spannungshalbwellen der Primärspannung mit der Sekundärspannung gegeben werden. Ist dabei der Augenblickswert der sekundären Sollspannung klein, so wird die Brenndauer der der primären Phasenspannung zugeordneten Entladungsstrecken auch nur kurz sein ; die Freigabe der Entladungsstrecke erfolgt nur kurz vor dem Spannungsmaximum, und die Brenndauer ist dann auch kurz nach dem Spannungsmaximum beendet.
Diese Spannungserzeugung bringt es mit sieh, dass sieh zur Herstellung der Stromsymmetrie bei verändertem Amplitudenwert verschiedene Brenndauern ergeben und dass bei Umformung von höherer Frequenz in eine niedrigere Frequenz jede primäre Spannungshalbwelle nur einmal an das Sekundärnetz geschaltet wird. (Im Gegensatz zum Verfahren der britischen Patentschrift Nr. 218675, bei der entweder die primäre Spannungshalbwelle mehrmals benutzt wird oder bei der immer bei gleicher Brenndauer die primäre Halb- welle nur einmal im allgemeinen, jedoch unsymmetrisch belastet wird. ) Nur in dem Fall, dass der Null- durchgang der sekundären Sollspannung mit dem Maximum der betreffenden primären Spannungshalb-
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An Hand der nachfolgenden Beispiele soll das Wesen der Erfindung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt die Prinzipsehaltung eines Mehrfachumriehters, der das Drehstromnetz 1 mit dem Einphasennetz 2 verbindet. Die Entladungsstreeken 3... 11 sind in beiden Richtungen stromdurch- lässig, und können durch eine Steuerung beliebiger Art (Gittersteuerung, Sehaltwalzen usw. ) ein-und
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erzeugte Spannung dar. Die durch das Brennen der Entladungsstrecken 3 bzw. 5 erzeugten Spannungsstüeke sind schraffiert und entsprechend mit 3 bzw. 5 bezeichnet. Entladungsstrecke 3 brennt somit von fui... t2, Entladungsstrecke 5 von f3... (4'In den Zwischenzeiten (t2...t3 usw.) brennt die Null- punktsentladungsstreeke 4.
Entspreehend sind die Spannungskurven in den Transformatoren 13 und 14 aufgebaut, die in Fig. 2 mit 16 und 17 bezeichnet sind. Die Brenndauer der Entladungsstreeken wird durch die Schnittpunkte der Sekundärspannung mit den inversen Halbwellen der Primärspannung bestimmt. Diese Spannungen sind in Fig. 2 als Dreieckkurven gezeichnet. Die Berechtigung zu dieser Vereinfaehung ergibt sich daraus, dass sieh dabei nahezu die gleichen Schnittpunkte ergeben. wie wenn Sinuslinien benutzt werden. Die Brenndauer der Entladungsstrecke. 3 ( (1... f2) wird durch die Schnitt-
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spannung 18 hat die Nulldurchgänge und die Maxima an derselben Stelle wie die gewünschte Sinusspannung, die vom Umrichter angenähert erzeugt werden soll. Die Kurve 19 ist zur Spannung U3 sozusagen in Gegenphase.
Die Brenndauer für die Entladungsstreeke 5 ergibt sich aus den Schnittpunkten der Kurve 18 mit den dünn gezeichneten Kurvenstücken 20. Diese sind ebenfalls in Gegenphase
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die resultierende Umrichterspannung dar, d. h. die Summe der'reilspannungen 1, 5, 16 und 17. Die Spannungskurve 21 schliesst sich der gewünschten Sinuskurve schon sehr eng an. Die niedrigste Harmonische hat die Frequenz 6 1-y/und besitzf nur eine Amplitude von ungefähr 7% der Grundwelle.
In Fig. 3 sind die Kurven 18, 19 und 20 nochmals aufgetragen, u. zw. ist diesmal Kurve M- die sekundäre Sollspannung-als reine Sinuslinie dargestellt. Man bekommt dieselben in Fig. 2 erhaltenen Sehnittpunkte der Sollspannung 18 mit den Spannungen 19 und 20 bei einer rein sinusförmigen Sollspannung 18 dann, wenn auch die Spannungen 19 und 20, die die Frequenz des Primärnetzes aufweisen, wie das in Fig. 3 angegeben ist, Sinusform besitzen. Hiebei ist Kurve 19 stark, Kurve 20 schwach ausgezogen. Die durch Fig. 2 bzw. 3 angegebene theoretische Lage der Schnittpunkte der Kurve 18 mit den Kurven 19 und 20 kann auch etwas verschoben werden, ohne dass sich an der erzeugten Spannungskurve viel ändert. Es kann z. B. auch, wenn eine Erzeugung einer nicht-
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in Fig. 2, erhalten werden.
Insbesondere kann sich die Amplitude der Kurven 18 in Fig. 2 bzw. 3 verringern, wodurch sich-zufolge der Verlagerung der Schnittpunkte-auch der Effektivwert der
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möglich. Dieselbe Wirkung kann durch Vergrösserung der Amplitude der Kurven 18 und 19 in Fig. 2 bzw. 3 erhalten werden.
Die resultierende Spannung 21 (Fig. 2) wird aus drei Teilspannungen gebildet ; die Spannungssummation erfolgt in den Transformatoren 1.'3 und 14. Zur Erzeugung der au, ; der Kurve 21 ersiehtlichen Nullstüeke dienen die Nullpunktsentladungsstrecken. An Stelle dieser drei Teilumriehter kann man auch einen einzigen Umriehter mit einem mehrphasigen, sekundären Drehstromtransformator anordnen, der die in Fig. 4 gezeichneten, abgestuften Phasenwicklungen erhalten muss, damit die erhaltene Spannungskurvenform von gleicher Güte ist.
Der Drehstromtransformator 22 besitzt sechs Wieklungen mit Mittelanzapfung und sechs weitere Wicklungen ohne Anzapfung, die jeweils um 30 phasenversehoben sind. An alle diese Anzapfungen bzw. Enden der Wicklungen sowie an den gemeinsamen Nullpunkt sind Entladungsstreeken angeschlossen, die in einem gemeinsamen Gefäss 23 angeordnet sind.
Die resultierende Spannung 21 (Fig. 2) kann man ohne weiteres auch mittels zweier Teilumrichter
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wieklungen a... f und a' ... f' stimmen mit den entsprechend bezeichneten Wicklungen der Fig. 4 überein. Man erkennt, dass durch Addition der beiden Teilspannungen alle in Fig. 4 angegebenen Spannungen gebildet werden können. Um die halbe Summenspannung dieser beiden Teilumrichter im Einphasennetz 2 zu erhalten, sind diese Teilumrichter über den Saugtransformator 24 an das Einphasennetz angeschlossen. Zapft man den Saugtransforiator nicht genau in der Mitte an, so muss man, um dieselbe Einphasenspannung zu erhalten, die Spannungen des rechten bzw. des linken Transfor-
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matorsternes abändern.
Insbesondere kann man es durch geeignete Wahl der Anzapfung erreichen, dass die beiden Sterne a... t und a'... t'gleich grosse Phasenspannungen haben.
Fig. 6 zeigt die Schaltung eines dreiphasigen Teilumrichters mit Nullpunktsentladungsstrecke.
Das Drehstromnetz 1 ist über den Drehstromtransformator 22, die drei Entladungsstrecken 26,27 und M und die Nullpunktsentladungsstrecke 2. 9 mit dem Einphasennetz 2 verbunden. Die Entladungs- strecken 26, 27, 28 und 29 sollen in beiden Richtungen durchlässig sein und durch die Steuerung gezündet und gelöscht werden können.
In Fig. 7 sind die sinusförmigen Anodenspannungen von 26, 27 und 28 ebenfalls mit 26,27 und 28 bezeichnet. Der Zünd-und Löselhzeitpunkt der einzelnen Entladungsstrecken ist durch die Sehnittpunkte der Steuerspannung 18 mit den Dreieckspannungen 26', 27'und 28'gegeben. Die Einphasen- spannung setzt sich aus diesen Kurvenstiieken, in Verbindung mit den von den Nullpunktsentladungs- streeken erzeugten Nullstücken zusammen. Davon ist die Dreieckspannung 26', die zum Gefäss 26 gehört, stark herausgezeichnet. In ähnlicher Weise kann man die Aussteuerung von n-phasigen Strom- riehtern durchführen.
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punktsentladungsstrecke und abgestuften Phasenspannungen aussteuert. Fig. 8 zeigt die Schaltung sowie die Einphasenspannungskurve.
Die zu den Entladungsstreeken 31-34 gehörenden Anoden- spannungen sind ebenfalls mit 31-34 bezeichnet. Die Einphasenspannung 36 entsteht gemäss den
Schnittpunkten der dreieckigen Einphasenspannung 18 mit den entsprechenden Steuerkurven 31'-34'.
Fig. 9 zeigt die Kurven für den Fall, dass die vom Umrichter erzeugte Spannung höhere Frequenz besitzt als die primäre Spannung. Die Bezeichnungen sind dieselben wie in Fig. 8.
Handelt es sieh um mehrphasige Umrichter, so muss die Sollspannungskurve 18 in den Fig. 2-9, entsprechend den m-sekundären Phasen m-mal entsprechend phasenversehoben aufgezeichnet werden. Mit den neuen Schnittpunkten erhält man entsprechend die verschiedenen sekundären Phasen. Dabei kann es vorkommen, dass verschiedene Schnittpunkt zeitlich zusammenfallen. Dies bedeutet, dass in zwei sekundären Phasen gleichzeitig kommutiert werden muss. Man kann daher bei Vorhandensein einer Kommutierungseinriehtung beide Kommutierungen auf einmal mit einer einzigen Kommutierungs- einriehtung durchführen, wie weiter unten beschrieben ist.
In den weiteren Beispielen soll nun gezeigt werden, wie der Erfindungsgedanke mit den heute üblichen Schaltmittel verwirklicht werden kann. Fig. 10 zeigt die vollständige Schaltung und Steuerung eines Teilumriehters gemäss Fig. 1. Dabei wirken Primär-und Sekundärspannung so auf Hilfsentladungsstrecken ein, dass letztere unter Zuhilfenahme einer Einrichtung zur erzwungenen Kommutierung an den in Fig. 2 geeigneten Steuerpunkten gesteuert werden. Die Entladungsstreeken 3,4 und 5 entsprechen denen der Fig. 1. In bekannter Weise sind die Entladungsstreeken 3'-5'gegen- sinnig parallel zu den Entladungsstreeken 3-5 geschaltet. Diese Entladungsstrecken 3'-5'werden zugleich mit den Entladungsstrecken 3-5 gesteuert, so dass die entsprechenden Gitter miteinander verbunden werden können.
Die Steuerung der Entladungsstrecken kann nur die Zündung bewirken, nicht aber löschen. Um die Kommutierung trotzdem in jedem Augenblick durchführen zu können, sind bekannte Mittel zur Zwangskommutierung vorgesehen, beispielsweise ein Kondensator 38 und eine Drossel 39. Vom Einphasentransformator 12 (Fig. 1) ist in Fig. 10 nur die Primärwicklung 12 gezeichnet. Der Aufbau der Gittersteuerung erfolgt in bekannter Weise (vgl. österr. Patentsehrift Nr. 151604. ) Bei allen Umrichtersteuerungen erweist es sieh als zweckmässig, die Steuerung in drei Stufen aufzubauen, die in Fig. 10 mit 40, 41 und 42 bezeichnet sind. Die erste Stufe 40 enthält Dampf- entladungsstrecken, die nach Art der Wechselrichter arbeiten (vgl. österr. Patentschrift Nr. 151604).
Die zweite Stufe 41 enthält Entladungsstrecken mit im wesentlichen reiner Elektronenentladung, die diese vorgenannten Entladungsstreeken aussteuern. Es hat sich als zweckmässig herausgestellt, die beiden oberen Stufen 40 und 41 mit den Gittern der Hauptentladungsstreeken galvanisch zu verbinden, da dadurch am besten erreicht werden kann, dass rechteckige Gittersteuerungsimpulse beliebiger Breite und Reihenfolge aufeinanderfolgen. Die dritte Stufe 42 enthält die Vorsteuerung mittels Entladungsstrecken mit reiner Elektronenentladung, die im wesentlichen von der Einphasenspannung beeinflusst wird. Diese dritte Stufe ist an die zweite ebenfalls galvanise angeschlossen. Hier ist jedoch die gal- vanische Kopplung im allgemeinen nicht so wesentlich, wie zwischen den übrigen Stufen.
Für die
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entladungsstreeken zu verwenden.
Dieser bekannte Aufbau der Steuerung erhält für die Umrichter gemäss der Erfindung folgende Einzelheiten : Da der Umriehter ausschliesslich mit Zwangskommutierung arbeitet, fallen die unter- schied1iehen Gleich-und Wechselriehterimpulse zu den gegensinnig parallel geschalteten Entladungsstrecken fort, d. h. jeweils zwei Entladungsstreeken werden gleichzeitig gesteuert. Das bedeutet eine Halbierung der erforderlichen Entladungsstrecken in den Stufen 40 und 41 gegenüber der Anordnung mit natürlicher Kommutierung. Die für die Steuerung erforderlichen Wechselspannungen werden dem primären Drehstromnetz 1 und dem sekundären Einphasennetz 2 entnommen. Das Sekundärnetz ist entweder mit dem Sekundärnetz 2 des Umrichters (vgl. Fig. 1) identisch oder ein getrenntes Netz, das z.
B. von Hilfsmaschinen gespeist wird. Den Doppelgitterröhren 43-46 der Vorsteuerung wird
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über die Transformatoren 47 und 48 die Einphasenspannung 2 sowie die Drehstromspannung 1 zugeführt. Die Spannung des Transformators 48 ist in Phase mit der Spannung des Haupttransformators 49.
Die Doppelgitterröhren 43-46 sowie 50-52 sollen so wirken, dass sie nur dann stromdurchlässig sind, wenn beide Gitter gleichzeitig positiv sind. Dann ergeben die Steuerröhren 43-46 die in Fig. 11 mit den gleichen Ziffern bezeichneten Anodenströme bzw. Anodenspannungen. Ferner sind in Fig. 11 die Primärspannungen der Transformatoren 47 und 48 ebenfalls mit 47 und 48 bezeichnet. Die Summenspannungen 43 + 44 und 45 + 46 bilden die Gitterspannungen für die Entladungsstreeken 50 und 52. Diese Gitterspannung ist nur dann positiv, wenn die beiden Entladungsstreeken 4. 3 und 44 bzw. 45
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von der Summe 56 der beiden Zusatzspannungen 53 und 54 gesteuert. Diese Zusatzspannungen werden aus der gleiehgeriehteten Primärspannung 54 und aus der gleiehgerichteten Sekundärspannung 53 gebildet.
Die Primärspannung 54 ist gegenüber der Primärspannung 48 des Transformators 48 um 90 phasenverschoben. Diese Phasenverschiebung kann beispielsweise durch den Drehregler 55 erfolgen.
Die Entladungsstreeken 50 und 52 werden leitend, wenn beide Gitter gleichzeitig positiv sind. Gemäss Fig. 11 brennt somit die Entladungsstreeke 50 in den Zeiten t/-t2'und t5'-t6', die Entladungsstrecke 52 in den Zeiten t/-ts'und t9''-t1O''Die Steuerung der Entladungsstrecke 51, die die Nullpunktsentladungsstreeken 4 und 4'steuert, wird nicht der Steuerstufe 42 entnommen, sondern von den Entladungsstrecken 50 und 52 über Kondensatoren 57 und 58 abgeleitet. Die Kondensatoren 57 und 58 sind im Verhältnis zu den Widerständen 59 und 60 so gross, dass die Gitterspannungen der Entladungsstrecke 51 ein Abbild der Anodenspannungen von 50 und 52 werden.
Dadurch wird erreicht, dass die Entladungsstrecke 51 nur brennt, wenn die beiden Entladungsstreeken 50 und 52 nicht brennen. Diese
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wird man unabhängig von gewissen Ungenauigkeiten (Spannungsschwankungen usw. ) der Vor- steuerung.
Mit Hilfe der in Fig. 10 beschriebenen Schaltung können im Transformator 12 die Spannungskurven 15, 16 oder 17 gemäss Fig. 2 erzeugt werden. Die erzeugten Spannungen weichen nur insofern von der theoretischen Kurve ab, als durch den Einfluss der Umladungen des Kommutierungskondensators 88 die Flanken der Sinusstücke 3, 5 usw. (Fig. 2) nicht vollkommen senkrecht verlaufen, sondern
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auch noch eine gewisse Glättung der Umrichterspannung. Soll ein vollständiger Umrichter nach Fig. 2 aufgebaut werden, so muss prinzipiell die Schaltung der Fig. 10 verdreifacht werden, man kann dabei verschiedene Teile der Steuerung gemeinsam machen.
In der Stufe 42 wird man eine gewisse Abhängigkeit der verschiedenen Teilumrichter voneinander durchführen, besonders um die Regelung des Gesamtumrichters besser durchführen zu können. Arbeiten mehrere Teilumriehter zusammen, so kann man diesen verschiedenen Teilumrichtern eine gemeinsame Kommutierungseinrichtung zuordnen, die der
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von 15 a und 15 b genau miteinander übereinstimmen. Es ist naheliegend, die Steuerung, die zu diesen beiden Teilumriehtern gehört, vollkommen zusammenzulegen, derart, dass die Entladungsstrecken 50 und 52 (Fig. 10) zusammen auch die Nullpunktsentladungsstreeke des zweiten Teilumrichters steuern.
Darüber hinaus ergibt sieh für die gemeinsame Kommutierungseinriehtung der Vorteil, dass die Kathodendrossel 39 in Fig. 10 für beide Teilumriehter gemeinsam sein kann. Fig. 13 zeigt die Schaltung, die sich hiebei ergibt. Am Kondensator herrscht die Summenspannung u, + M. Diese Summenspannung ergibt sich auch dann, wenn man den Kondensator nicht, wie das in Fig. 13 oben angegeben wurde, transformatoriseh ansehliesst, sondern ihn mit Hilfe von in Reihe geschalteten Transformatoren in zwei Einzelkondensatoren aufteilt.
Der Erfindungsgedanke ist auf diese Ausführungsbeispiele nicht beschränkt, sondern kann sinngemäss auch auf alle andern Umriehterschaltungen angewendet werden.
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