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Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer periodischen, dreieckförmigen Spannung, insbesondere zur
Gittersteuerung von Stromrichter
Aus der Steuerungstechnik der Quecksilberdampf-Stromrichter ist es bekannt, die Gitter mittels einer in der Phasenanlage festen Sinusspannung (im folgenden Grundspannung genannt) und einer unterlagerten Gleichspannung (im folgenden Steuerspannung genannt) zu steuern.
Es ist ferner bekannt, mit dieser sogenannten G. W. Müller-Steuerung zunächst einen Satz von gittergesteuerten Stromrichtern zu steuern und von dem Spannungssprung bei der Zündung der Thyratrons Impulse abzuleiten, die den Gittern des zu steuernden Entladungs-Stromrichters zugeführt werden. An Stelle der Thyratrons wurden in neuerer Zeit auch Schalttransistoren verwendet. Eine ebenfalls bekannte Variation des G. W. Müller-Steuerprinzips stellt die Verwendung einer von der Sinusform abweichenden Kurvenform für die Grundspannung dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Verwendung von Transistoren ein Steuergerät nach dem obigen Prinzip zu erstellen, das sich durch einen grossen Schwenkbereich, eine lineare Steuerkennlinie und geringe Leistungsaufnahme auszeichnet. Ein weiterer Vorteil soll seine Unempfindlichkeit gegen Über-Steuerungen der Gleich- und Wechselrichtergrenzlagen sein.
Für die Linearität der Steuerkennlinie ist bekanntlich eine periodisch zeitlinear ansteigende bzw. abfallende Grundspannung erforderlich. Die Erfindung bezieht sich demgemäss auf ein Verfahren zur Erzeugung einer periodischen, der Systemwechselspannung nach Frequenz und Phasenlage eindeutig zugeordneten dreieckförmigen Spannung, insbesondere zur Gittersteuerung von Stromrichter. Die Dreieckspannung wird gemäss der Erfindung als Spannungsabfall eines rechteckförmigen Wechselstromes an einem
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bekannten Sägezahn-Generatoren, bei denen zur Erzeugung einer zeitlinear ansteigenden Spannung der Spannungsabfall eines Gleichstromes an einem Kondensator benutzt wird, den Vorteil, dass besondere Einrichtungen zur periodischen Entladung des Kondensators (Thyratron, Transistor u. ähnl.) nicht erfordernlich sind.
Die Flankenbreite der Dreieckspannung von 1800 ermöglicht bei einer Verwendung zur Impulserzeugung einen praktisch ausnutzbaren Schwenkbereich der Impulse von etwa 1750. In den meisten Fällen ist ein Schwenkbereich von 1600 bereits ausreichend.
Der erforderliche rechteckförmige Wechselstrom wird gemäss weiterer Ausbildung der Erfindung durch Kommutierung eines stark geglätteten Gleichstromes mittels einer Gleichrichteranordnung erzeugt. In der beispielsweise gewählten Schaltungsanordnung wird der Rechteckstrom dem Sekundärkreis eines eine Trockengleichrichteranordnung in zweiphasiger Brückenschaltung speisenden Isolier-Transformators entnommen, wobei der erzeugte Gleichstrom durch eine Drossel oder eine Transistoranordnung sehr gut geglättet ist. Um die Abweichungen derSteuerkennlinie von der Linearität infolge der Welligkeit des Stromes auf 10 zu begrenzen, ergibt sich durch Rechnung, dass die Welligkeit des Gleichstromes zirka 3, 5 % nicht überschreiten darf.
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verfälscht.
Ausserdem wird durch den Isoliertransformator die Potentialtrennung vom Netz erreicht.
Zum Stand der Technik ist noch nachzutragen, dass bei der Gittersteuerung von Stromrichtern bereits von Kommutierungseigenschaften vorgesehener Hilfsventile Gebrauch gemacht wurde (vgl. Ö. P. 183482).
Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung hat man jedoch bei der bekannten Schaltungsanordnung nicht den Hilfsgleichstrom, sondern die Hilfsgleichspannung konstant gehalten. Infolgedessen ergibt sich keine
Rechteckstrom-sondern eine Rechteckspannungsquelle. Die Spannungsquelle dient zur Speisung einer im wesentlichen aus magnetischen Bauelementen aufgebauten Gittersteuerungseinrichtung.
Dabei ist einmal eine von den Eigenschaften des Endverbraucherkreises weitgehend unabhängige Impulsphasenlage nur durch zusätzliche Schaltmittel zu erreichen, zum ändern zwingen hier die Toleranzen in den Eigenschaften ma- gnetischer Kernmaterialien bei gewissen Stromrichteranordnungen zu weiterem regelungstechnischen Aufwand. Das nachstehend noch beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung macht daher am Ausgang der Dreieckspannungsquelle von elektronischen Verstärkerelementen Gebrauch.
Die der Grundspannung unterlagerte Steuerspannung hat im allgemeinen als Regelabweichung eine gewisse Störwelligkeit, die besonders nachteilig ist, wenn die Dreieckspannung späterhin in Rechteckimpulse umgeformt werden soll. Dann kann der Fall eintreten, dass in der Nähe der Scheitelwerte der gewünsche Impuls unterdrückt wird und beispielsweise eine Übersteuerung des gespeisten Stromrichter-Gittersteuersatzes auftritt. Hier ist als Grundspannung eine abgewandelte Dreieckspannung vorteilhaft, bei welcher der Dreieckspannung im Scheitelwert Zusatzimpulse aufgesetzt sind. Die Steuerspannung braucht dann nämlich weniger scharf beschnitten zu werden.
Die ist von grossem Vorteil, da der durch die Gleichrichterwirkung der Beschneidung im stationären Zustand auftretende Regelfehler, d. h. ein grosser Sperrspannungsabfall der meist verwendeten Trockengleichrichter vermieden werden soll. Die erfindungsgemäss- sse Anordnung gestattet es, die Beschneidung der Regelabweichung so zu bemessen, dass sie im gesamten Schwenkbereich noch nicht einzugreifen braucht. Dadurch sind die Anforderungen an die Kennlinie der Beschneidung (Steuerspannung als Funktion der Regelabweichung) gering.
Ein zusätzlicher, sogenannter Wachter-Impuls in der Wechselrichter-Grenzlage, der aufwendiger ist, wird durch die aufgesetzten Zusatzimpulse zudem überflüssig.
Durch die Verwendung eines rechteckförmigen Wechselstromes bei der Bildung der dreieckförmigen Grundspannung besteht gleichzeitig eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung der aufgesetzten synchronen Spannungsimpulse. An den Klemmen einer im Rechteckstromkreis liegenden Sättigungsdrossel kleiner Spannungszeitfläche tritt bei jeder Stromkommutierung ein Spannungsstoss auf, der über eine Sekundärwicklung mit der Grundspannung derart in Reihe geschaltet wird, dass er auf deren positiver Spitze positiv, auf deren negativer Spitze negativ gerichtet ist.
Zur Aussteuerung des gesamten Bereichs einer Flanke von 1800 wäre eine Steuerspannung umkehrbarer Polarität erforderlich, da die Dreieckspannung wechselsymmetrisch zur Null-Linie liegt. Dieser Nachteil wird dadurch vermieden. dass die Grundspannung mittels eines Ventils, das parallel zum Kondensator liegt, in ihrem Mittelwert derart geändert wird, dass sie mit ihrer unteren Spitze auf die Nulllinie zu liegen kommt. Bei einer Kreuzschaltung dagegen ist es durch Weglassen dieses Ventils möglich, die beiden Stromrichter ohne weitere Zusatzspannung allein durch die Regelabweichung in der erforderlichen Weise gegensinnig auszusteuern. Eine besondere Regelung des Kreisstromes ist infolge der linearen Abhängigkeit der Impulslage von der Steuerspannung nicht mehr erforderlich.
Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt nachstehend an Hand der Figuren. Dabei werden die in den Fig. 1 - 7 dargestellten Spannungs-und Stromkurven bei der Erläuterung der in Fig. 8 dargestellten für zweiphasige Ausgangsspannung ausgelegten Schaltungsanordnung angezogen. Der Gleichstromkreis mit den Widerständen r 1 und r 2 und der Glättungsdrossel i l wird über die Gleichrichterbrücke n 1 und den Transformator t1 von einer Wechselspannung U - gespeist.
Im Sekundärkreis des Transformators t l liegen die beiden Kondensatoren k2 in Reihenschaltung, an denen als Folge des Rechteckstromes (Fig. 1) zwei zueinander um 180 phasenverschobene dreieckförmige Spannungen (Fig. 2) erscheinen. An einem aus hochwertigem magnetischen Material mit rechteckiger Magnetisierungsschleife bestehenden Übertrager, dessen Primärwicklung t21 vom Rechteckstrom durchflossen wird, entstehen die Zusatzimpulse, die über die beiden Sekundärwicklungen t22 mit den Kondensatorspannungen in Reihe geschaltet werden (Fig. 3) und ein Übersteuern über das Minimum bzw. Maximum der jeweiligen Dreieckspannung hinaus verhindern. Durch den Kondensator k 1 wird eine schnellere Kommutierung des Stromes und dadurch eine steilere Vorderflanke des Zusatzimpulses erreicht.
Die Ventile n2 verschieben die Mittelwerte der Kondensatorspannungen in der oben beschriebenen Weise (Fig. 4), so dass ein Umpolen der Steuerspannung AU
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Diespannung zur Impulssteuerung verwendet, und der Gitterimpuls wird mit zunehmender Steuerspannung nach hinten verschoben. In den meisten Fällen ist jedoch eine entgegengesetzte Tendenz erwünscht, da mit steigender Regelabweichung (Steuerspannung) die ausgesteuerte Stromrichterspannung steigen soll.
In diesem Fall wird der Widerstand r 3 erforderlich, da infolge des Steuerstromes der nachfolgenden Transistorstufe eine Änderung des Mittelwertes der Kondensatorspannung in der Richtung erfolgt, die das Ventil n2 nicht beeinflussen kann, da es in Sperrichtung beansprucht wird. Der Widerstand r3 muss so hoch-
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bei einer Netzfrequenz von 50 Hz eine Zeitkonstante von R. C. F : S 1 sec erforderlich. Ebenso darf die Kondensatorspannung durch die nachfolgende Verstärker-Anordnung nicht belastet werden. Es wird daher je Einphasenanordnung eine Transistorstufe in Kollektor-Schaltung enthaltend unter anderem den Transistor p 1, verwendet, die von der Differenz zwischen Grundspannung G und Steuerspannung A U (Fig. 6), aus-
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gemäss Fig. 6b) entnommen.
Durch die zu den Widerständen r 7 in Reihe geschalteten Widerstände r 6 wird eine hochohmig Belastung der Transistoren p 1 und damit eine Leistungsbegrenzung erreicht. Die Widerstände r 5 dienen zur thermischen Stabilisierung der Transistoren. Die Ventile n 3 verhindern die Beanspruchung der Basis-Emitterstrecken in Sperrichtung und vergrössern gleichzeitig den Parallelbelastungswiderstand für die Kondensatoren k 2. Mit dem Ventil n4, das über den Widerstand r4 vorgestromt ist, wird in den Steuerkreis eine zusätzliche Spannung eingefügt (Fig. 5), die die Schwellspannungsabfälle der Ventile n2 und n3, sowie der ersten beiden Transistorstufen kompensiert. An diese erste Transistorstufe schliesst sich eine Verstärker-Anordnung an, die die dreieckförmige Differenzspannung (Fig. 6b) in bekannter Weise zunächst in Rechteckblöcke umformt (Fig. 7a).
Daraus werden durch Differenzieren in ebenfalls bekannter Weise Spannungsimpulse (Fig. 7b) gebildet, die über eine zur Impulsdehnung und Impulsverstärkung dienende Endstufe den Steuergitter eines Quecksilberdampfstromrichters zugeführt werden.
Die vorstehend beschriebene Erfindung und insbesondere die Schaltungsanordnung kann in sinngemä- sser Weise zur Steuerung vielphasiger Systeme verwendet werden. Dabei ist eine unmittelbare Beschränkung auf die Gittersteuerung von Gas-oder Dampfentladungsstrecken, obwohl die erzielbare Steuergenauigkeit hier besonders vorteilhaft ist, nicht gegeben. Vielmehr können in gleicher Weise andere Ver-
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lage eindeutig zugeordneten dreieckförmigen Spannung, insbesondere zur Gittersteuerung von Stromrichtern, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreieckspannung als Spannungsabfall eines rechteckförmigen Wechselstromes an einem Kondensator (k2) gewonnen und der rechteckförmige Wechselstrom durch Kom- mutierung eines stark geglätteten Gleichstromes mittels einer Gleichrichteranordnung n 1 erzeugt wird (Fig. 8).